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压电陶瓷与超声技术应用

浏览次数: 日期:2014年7月21日 14:56
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摘要:

压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体,由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似(原料粉碎、成型、高温烧结)

压电陶瓷超声技术应用

-----介绍几款超声技术应用产品

压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体,由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似(原料粉碎、成型、高温烧结)因而受到广泛重视。
某些各向异性的晶体,在机械力作用下,产生形变,使带电粒子发生相对位移,从而在晶体表面出现正负束缚电荷,这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J•居里和P•居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时,晶体会产生几何形变。
1940年以前,只知道有两类铁电体(在某温度范围内不仅具有自发极化,而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体):一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐;一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性,技术上有使用价值,但有易溶解的缺点;后者要在低温(低于—14 C)下才有压电性,工程使用价值不大。
1942-1945年间发现钛酸钡(BaTiO )具有异常高的介电常数,不久又发现它具有压电性,BaTi O 压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料,此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷,并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO 陶瓷制造留声机用拾音器,日本比美国晚用两年。BaTiO 存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。
1954年美国B•贾菲等人发现了压电PbZrO -PbTiO (PZT)固溶体系统,这是一个划时代大事,使在BaTiO 时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷,使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
迄今,压电陶瓷的应用,上至宇宙开发,下至家庭生活极其广泛。
我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期,比国外晚10年左右,目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量,有不少材料已达到或接近国际水平,为应用在超声领域,打下了坚实的基础。以下是压电陶瓷在超声领域的几项典型应用。

 

超声波换能器

一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件,它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去,而自身消耗很少的一部分功率。

超声换能器,要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。

换能器由外壳、匹配层压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成,Cymbal阵列接收器由816Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m,频带宽度达到10kHz,能检测高速移动的远距离目标。

超声波换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。按实现的功能分为超声波加工超声波清洗超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等;按工作环境分为液体、气体、生物体等;按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。

                             

压电陶瓷变压器

压电陶瓷变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动, 通过逆压电效应使其产生振动振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分输出部分再通过正压电效应产生电荷,实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换,压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。与电磁变压器相比, 这具有体积小质量轻,功率密度高效率高耐击穿耐高温不怕燃烧无电磁干扰和电磁噪声且结构简单、便于制作、易批量生产在某些领域成为电磁变压器的理想替代元件等优点。此类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。

  

超声波马达

超声波马达是把定子作为换能器, 利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声波频率的振动然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量带动转子转动。超声波马达体积小, 力矩大分辨率高结构简单直接驱动无制动机构无轴承机构这些优点有益于装置的小型化。超声波马达广泛应用于光学仪器、激光、半导体微电子工艺、精密机械与仪器、机器人、医学与生物工程领域。

超声波清洗

超声波清洗的机理是利用超声波在清洗液中传播时的空化、辐射压、声流等物理效应, 对清洗件上的污物产生的机械起剥落作用同时能促进清洗液与污物发生化学反应达到清洗物件的目的。超声波清洗机所用的频率根据清洗物的大小和目的可选用10500 kHz, 一般多为2050 kHz。随着超声波换能器频率的增加,可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。在小型化方面也有采用圆片振子的径向振动和弯曲振动的。超声波清洗在各种工业、农业、家用设备、电子、汽车、橡胶、印刷、飞机、食品、医院和医学研究等行业得到了越来越广泛的应用。

超声波焊接

超声波焊接有超声波金属焊接和超声波塑料焊接两大类。其中超声波塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动, 通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大所以会产生局部高温使塑料熔化在接触压力的作用下完成焊接工作。超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位。另外, 还节约了塑料制品昂贵的模具费缩短加工时间提高了生产效率有经济、快速和可靠等特点。

超声波加工

把微细磨料随超声波加工工具一起以一定静压力加在工件上, 就能加工出与工具相同的形状。加工时换能器需在 15~ 40 kHz的频率下产生 15~ 40 微米的振幅。超声波工具使工件表面的磨料以相当大的冲击力连续冲击破坏超声辐射部位使材料破碎而达到去除材料的目的。超声波加工主要应用于宝石、玉器、大理石、玛瑙、硬质合金等脆硬材料的加工以及异型孔和细深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超声波换能器振动时也可起到提高精度和效率的作用。

超声波减肥

利用超声波换能器的空化效应和微机械振动, 将人体表皮下多余的脂肪细胞破碎、乳化后排出体外达到减肥、塑形的目的。这是国际上90 年代发展起来的一项新技术。意大利的Zocch i首次将超声去脂用于床并获得成功为整形、美容开创了先河。超声去脂技术在国内外得以迅速发展。

超声波育种

对植物种子进行适当频率和强度的超声波照射, 可提高种子的发芽率降低霉烂率促进种子的生长提高植物生长速度。据资料介绍超声波可使某些植物种子生长速度提高2倍。

 

电子血压计

利用超声波换能器接收血管的压力, 当气囊加压紧压血管时因外加压力高于血管舒张压力超声波换能器感受不到血管的压力而当气囊逐渐泄气超声波换能器对血管的压力随之减小到某一数值时二者的压力达到平衡此时超声波换能器就能感受到血管的压力该压力即为心脏的收缩压通过放大器发出指示信号给出血压值。电子血压计由于取消了听诊器, 可减轻医务人员的劳动强度。

遥测遥控

在有毒、放射性等恶劣环境中, 人们不能接近工作需要远地控制电视机电风扇以及电灯等电器开关需要遥控都可装上超声波换能器通过远地发射超声波由装在需要控制系统上的接收换能器所接收,把声信号转变成电信号使开关动作。

 

交通监测

现代交通, 自动监测车辆的通行和计数以便掌握车辆的运行情况是非常必要的。如交通监理站安装一个收发兼用的超声波换能器及其附属设备, 当车辆通过时就有一个声脉冲返回通过计数累计可得到日行车辆的数量。给汽车尾部装一个收发两用的换能器可防止倒车相撞事故发生。在公路上安装接收型压电超声波换能器还可以监测噪声指数。

超声波换能器的应用十分广泛,它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。按实现的功能分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控等;按工作环境分为液体、气体、生物体等;按性质分为功率超声波、检测超声波、超声波成像等。

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