壓電效應生活中的應用_壓電效應的原理介紹

　　壓電效應概要

　　壓電效應：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。

　　壓電效應原理

　　壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對應的關(guān)系確實非常有意思。

　　壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設(shè)計中占有重要的地位。

　　壓電效應分類

　　正壓電

　　是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。

　　逆壓電

　　是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

　　壓電效應的應用

　　人們把根據(jù)壓電效應制作出的材料叫壓電陶瓷，利用它可以制作石英諧振器、陶瓷濾波器、陷波器、鑒頻器、拾音器、發(fā)聲器、超聲波發(fā)聲器等器件，還可以作為電子打火機、煤氣點火栓的電源。下面著重介紹家用電器中常用的幾種壓電器件。

　　1、家用電器中常用的壓電器件

　　石英晶體諧振器

　　在石英晶體上加一交變電壓，就會產(chǎn)生機械變形振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變的電場，由于石英晶片具有固有的振動頻率（稱為石英晶體的諧振頻率），因此，當外加交變電壓的頻率等于石英晶片的諧振頻率時，這種振動就會突然增加，而在電路中反映出諧振特性，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振效應。根據(jù)壓電諧振效應可以制作出石英諧振器，這種諧振器因具有極高的品質(zhì)因數(shù)和極高的穩(wěn)定性，已經(jīng)被應用于對講機（型號有JA44等）、電子手表（型號有JU1等）、電視機（型號有JA22等）、電子儀器等產(chǎn)品中作壓控振蕩器使用。用石英諧振器來控制振蕩頻率的振蕩器稱為晶體振蕩器，這種振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達到10-6數(shù)量級。

　　陶瓷濾波器、陷波器

　　陶瓷濾波器、陷波器一般由一個或多個壓電陶瓷振子為主而組成，而壓電振子實際上就是一塊夾在兩個電極之間的壓電晶片。陶瓷濾波器、陷波器是對頻率非常敏感的電路元件。它們的特點是：體積小、成本低、無調(diào)整和可靠性高等。

　　陶瓷濾波器、陷波器已應用于收錄機（型號有465K系列、LT2W22—10.7MHz等）、電視機（型號有LTB615MHz濾波器、XT4.43M陷波器、聲表面波濾波器等）等家電產(chǎn)品中

　　壓電晶體拾音、發(fā)聲器件

　　晶體話筒、電唱頭等是拾音器件，它們是利用晶體的壓電效應制作出來的。對于話筒，聲波使話筒內(nèi)的壓電晶體振動，由于壓電效應，表面上的兩個電極便出現(xiàn)微弱的音頻電壓。對于晶體電唱頭（又稱晶體拾音器），當唱片轉(zhuǎn)動時，唱片中的音紋起伏通過唱針傳到唱頭中的壓電晶體，其電極便出現(xiàn)音頻電壓。即利用晶體的壓電效應可以把音頻信號變成音頻電信號。

　　而晶體揚聲器（晶體喇叭）和晶體耳機則是壓電發(fā)聲器件。它們是利用壓電晶體的逆效應制作出來的，即把變化的電信號還原為晶體的機械振動，晶體再把這種振動傳給一塊金屬薄片，發(fā)出聲音。

　　2、常用壓電器件的檢測

　　蜂鳴片的檢測

　　蜂鳴片是壓電陶瓷片應用的一種器件。比較常見的是用鋯、鈦、鉛的氧化物配制后燒結(jié)制成的壓電陶瓷片（PZT），由于人耳對3kHz的音頻信號最為敏感，所以生產(chǎn)時通常將蜂鳴片的諧振頻率設(shè)計在3kHz左右。為了改善低頻響應，一般采用雙膜片結(jié)構(gòu)。

　　用機械萬用表檢測壓電陶瓷蜂鳴片好壞的方法是：將萬用表撥至2.5V檔，左手拇指與食指輕輕捏住蜂鳴片的兩面，右手持兩支表筆，紅表筆接金屬片，黑表筆橫放在蜂鳴片的表面，然后左手拇指與食指稍用力壓緊一下，隨即放松，蜂鳴片上就先后產(chǎn)生兩個極性相反的電壓信號，使指針向右擺→回零→向左擺→回零，擺幅約0.1V0.15V.若交換表筆位置后重新實驗，指針擺動的順序為：向左擺→回零→向右擺→回零。在壓力相同的情況下，指針擺幅愈大，蜂鳴片的靈敏度愈高。若指針不動，說明蜂鳴片內(nèi)部漏電或破損。

　　用數(shù)字電容表可以直接測量蜂鳴片的電容量，其電容量應在0.005μF0.02μF范圍內(nèi)

　　駐極體話筒的檢測

　　駐極體話筒是常見電—聲轉(zhuǎn)換器件，它屬于電容式話筒的一種。

　　用機械萬用表檢測駐極體話筒，選擇R×100檔，將黑表筆接話筒的正極，紅表筆接負極，然后正對著話筒吹一口氣，指針應作大幅度擺動。假如指針不動，可交換表筆重新試驗。兩種情況下，指針都不動，說明話筒已經(jīng)損壞;若指針擺幅很小，說明話筒的靈敏度低。對于三端引線的話筒，應將黑表筆接正電源端，紅表筆接輸出端，地端可以懸空。

　　石英晶體的檢測

　　對于石英晶體，分玻殼與金屬殼兩種封裝形式。檢查它的方法是：首先從外觀看它有無斷線或裂紋故障。若外觀正常，則可用萬用表R×1k檔測量其引出端的電阻，正常情況下電阻為無窮大，否則說明石英晶體內(nèi)部存在漏電或短路。也可以用數(shù)字萬用表的電容檔或數(shù)字電容表測其電容，正常情況下石英晶體應有一定的電容值。如電視機遙控器中石英晶體的電容為102pF數(shù)量級