壓電陶瓷與超聲技術應用

-----介紹幾款超聲技術應用產品

壓電陶瓷是一種具有壓電效應的多晶體，由于它的生產工藝與陶瓷的生產工藝相似（原料粉碎、成型、高溫燒結）因而受到廣泛重視。
某些各向異性的晶體，在機械力作用下，產生形變，使帶電粒子發生相對位移，從而在晶體表面出現正負束縛電荷，這種現象稱為壓電效應。晶體的這種性質稱為壓電性。壓電性是J•居里和P•居里兄弟于1880年發現的。幾個月后他們又用實驗驗證了逆壓電效應、即給晶體施加電壓時，晶體會產生幾何形變。
1940年以前，只知道有兩類鐵電體（在某溫度范圍內不僅具有自發極化，而且自發極化強度的發向能因外場強作用而重新取向的晶體）：一類是羅息鹽和某些關系密切的酒石酸鹽；一類是磷酸二氫鉀鹽和它的同品型物。前者在常溫下有壓電性，技術上有使用價值，但有易溶解的缺點；后者要在低溫（低于—14 C）下才有壓電性，工程使用價值不大。
1942-1945年間發現鈦酸鋇（BaTiO ）具有異常高的介電常數，不久又發現它具有壓電性，BaTi O 壓電陶瓷的發現是壓電材料的一個飛躍。這以前只有壓電單晶材料，此后出現了壓電多晶材料——壓電陶瓷，并獲得廣泛應用。1947年美國用BaTiO 陶瓷制造留聲機用拾音器，日本比美國晚用兩年。BaTiO 存在壓電性比羅息鹽弱和壓電性隨溫度變化比石英晶體大的缺點。
1954年美國B•賈菲等人發現了壓電PbZrO -PbTiO (PZT)固溶體系統，這是一個劃時代大事，使在BaTiO 時代不能制作的器件成為可能。此后又研制出PLZT透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的應用擴展到光學領域。
迄今，壓電陶瓷的應用，上至宇宙開發，下至家庭生活極其廣泛。
我國對壓電陶瓷的研究始于五十年代末期，比國外晚10年左右，目前在壓電陶瓷的試制、工業生產等方面都已有相當雄厚力量，有不少材料已達到或接近國際水平，為應用在超聲領域，打下了堅實的基礎。以下是壓電陶瓷在超聲領域的幾項典型應用。

超聲波換能器

一種能把高頻電能轉化為機械能的裝置。由材料的壓電效應將電信號轉換為機械振動。超聲波換能器是一種能量轉換器件，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。

超聲換能器，要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻帶寬的超聲波換能器。

換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，Cymbal陣列接收器由8～16只Cymbal換能器、兩個金屬圓環和橡膠墊圈組成。本發明的作用距離大于35m，頻帶寬度達到10kHz，能檢測高速移動的遠距離目標。

超聲波換能器的應用十分廣泛,它按應用的行業分為工業、農業、交通運輸、生活、醫療及軍事等。按實現的功能分為超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測、檢測、監測、遙測、遙控等；按工作環境分為液體、氣體、生物體等;按性質分為功率超聲波、檢測超聲波、超聲波成像等。

壓電陶瓷變壓器

壓電陶瓷變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應來實現電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅動, 通過逆壓電效應使其產生振動, 振動波通過輸入和輸出部分的機械耦合到輸出部分, 輸出部分再通過正壓電效應產生電荷,實現壓電體的電能-機械能-電能的兩次變換,在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比, 這具有體積小, 質量輕,功率密度高, 效率高, 耐擊穿, 耐高溫, 不怕燃燒, 無電磁干擾和電磁噪聲, 且結構簡單、便于制作、易批量生產, 在某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優點。此類變壓器用于開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等。

超聲波馬達

超聲波馬達是把定子作為換能器, 利用壓電晶體的逆壓電效應讓馬達定子處于超聲波頻率的振動, 然后靠定子和轉子間的摩擦力來傳遞能量, 帶動轉子轉動。超聲波馬達體積小, 力矩大, 分辨率高, 結構簡單, 直接驅動, 無制動機構, 無軸承機構, 這些優點有益于裝置的小型化。超聲波馬達廣泛應用于光學儀器、激光、半導體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫學與生物工程領域。

超聲波清洗

超聲波清洗的機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應, 對清洗件上的污物產生的機械起剝落作用, 同時能促進清洗液與污物發生化學反應, 達到清洗物件的目的。超聲波清洗機所用的頻率根據清洗物的大小和目的可選用10～500 kHz, 一般多為20～50 kHz。隨著超聲波換能器頻率的增加,可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有采用圓片振子的徑向振動和彎曲振動的。超聲波清洗在各種工業、農業、家用設備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫院和醫學研究等行業得到了越來越廣泛的應用。

超聲波焊接

超聲波焊接有超聲波金屬焊接和超聲波塑料焊接兩大類。其中超聲波塑料焊接技術已獲得較為普遍的應用。它是利用換能器產生的超聲振動, 通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區。由于焊區即兩焊件交界處聲阻大, 所以會產生局部高溫使塑料熔化, 在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位。另外, 還節約了塑料制品昂貴的模具費, 縮短加工時間, 提高了生產效率, 有經濟、快速和可靠等特點。

超聲波加工

把微細磨料隨超聲波加工工具一起以一定靜壓力加在工件上, 就能加工出與工具相同的形狀。加工時換能器需在 15～ 40 kHz的頻率下, 產生 15～ 40 微米的振幅。超聲波工具使工件表面的磨料以相當大的沖擊力連續沖擊, 破壞超聲輻射部位, 使材料破碎而達到去除材料的目的。超聲波加工主要應用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超聲波換能器振動時, 也可起到提高精度和效率的作用。

超聲波減肥

利用超聲波換能器的空化效應和微機械振動, 將人體表皮下多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外, 達到減肥、塑形的目的。這是國際上90 年代發展起來的一項新技術。意大利的Zocch i首次將超聲去脂用于床, 并獲得成功, 為整形、美容開創了先河。超聲去脂技術在國內外得以迅速發展。

超聲波育種

對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射, 可提高種子的發芽率, 降低霉爛率, 促進種子的生長, 提高植物生長速度。據資料介紹, 超聲波可使某些植物種子生長速度提高2～3 倍。

電子血壓計

利用超聲波換能器接收血管的壓力, 當氣囊加壓緊壓血管時, 因外加壓力高于血管舒張壓力, 超聲波換能器感受不到血管的壓力; 而當氣囊逐漸泄氣, 超聲波換能器對血管的壓力隨之減小到某一數值時, 二者的壓力達到平衡, 此時超聲波換能器就能感受到血管的壓力, 該壓力即為心臟的收縮壓, 通過放大器發出指示信號, 給出血壓值。電子血壓計由于取消了聽診器, 可減輕醫務人員的勞動強度。

遙測遙控

在有毒、放射性等惡劣環境中, 人們不能接近工作, 需要遠地控制; 電視機, 電風扇以及電燈等電器開關需要遙控, 都可裝上超聲波換能器, 通過遠地發射超聲波由裝在需要控制系統上的接收換能器所接收,把聲信號轉變成電信號使開關動作。

交通監測

現代交通, 自動監測車輛的通行和計數以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監理站安裝一個收發兼用的超聲波換能器及其附屬設備, 當車輛通過時就有一個聲脈沖返回, 通過計數累計可得到日行車輛的數量。給汽車尾部裝一個收發兩用的換能器, 可防止倒車相撞事故發生。在公路上安裝接收型壓電超聲波換能器還可以監測噪聲指數。

超聲波換能器的應用十分廣泛,它按應用的行業分為工業、農業、交通運輸、生活、醫療及軍事等。按實現的功能分為超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測、檢測、監測、遙測、遙控等；按工作環境分為液體、氣體、生物體等;按性質分為功率超聲波、檢測超聲波、超聲波成像等。

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