压电陶瓷与超声技术应用

-----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8～16只Cymbal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,在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10～500 kHz, 一般多为20～50 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2～3 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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