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压电陶瓷换能器的可行性初步研究
背景介绍
1.1压电陶瓷相关的基本概念
压电陶瓷：一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于HYPERLINK"http://baike.baidu.com/view/138713.htm"\t"_blank"无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。
正压电效应：某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象。
称逆压电效应：施加激励电场，介质将产生机械变形的现象。
1.2压电陶瓷的发展现状及其分类
压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料，随着材料及工艺的不断研究和改良，压电陶瓷的技术越来越广，而且随着电子，信息，航空航天高科学技术领域日新月异的发展，压电陶瓷材料的制作技术和应用开发将会越来越受到人们的关注和重视。压电陶瓷目前有以下几种分类：
A：一元系压电陶瓷
BaTiO3是典型的陶瓷铁电体，机电耦合系数大，制备容易可以制成任意形状和任意极化方向的产品等的优点。
PbTiO3居里温度高（Tc=490），自发极化强度是各种钙钛矿型晶体结构的铁电体中最高的，是一种具有热释电性和压电性，能在高温下使用的压电陶瓷。
B：二元系压电陶瓷
PbZrO3-PbTiO3（PZT）相比一元系具有高耦合，高机械品质因数和高稳定性等特征，在使用范围内没有明显相变点，可作为滤波器等通信材料，而高耦合，高介电常数方面的优点又明显扩大了压电陶瓷的应用范围，不仅可以作为振子，而且还可以作为换能器材。
C：三元系及多元系压电陶瓷
三元系陶瓷比二元系更具有优越的性能，可以大幅度地调节可供选择的组成成份和压电性，容易获得高机电耦合数的接受型材料。
压电陶瓷的发展趋势：压电复合材料，压电薄膜，无铅压电陶瓷，纳米压电陶瓷等，出现高位移的新型压电致动器，压电变压器，主动减振和降噪的压电器件，医用微型压电陶瓷传感器等新器件。
压电陶瓷换能器
2.1压电陶瓷特点及其应用分类
压电陶瓷换能器的特点是：致密度高、机械强度高、加工容易、适合大批量生产。经过一些容易实现的加工手段就可制成任何给定的形状和几何尺寸。它们的化学性质不活泼,不易受化学侵蚀,不受湿汽和其他恶劣气候条件的影响。此外,这些陶瓷的机械定向和电学定向可与陶瓷的形状准确取向。
压电陶瓷换能器广泛应用于数据处理、信息处理、通讯、声纳、陀螺、水声器、记步器、激光器、喷墨打印、超声清洗、超声焊接、报警、以及燃气设备等行业和技术领域。压电陶瓷的主要应用领域举例如表1所示。
表1压电陶瓷的主要应用领域举例
应用领域举例一电源压电变压器雷达，电视显像管，阴极射线管，盖克技术管，激光管和电子复制机等高压电源和压电点火装置二信号源标准信号源振荡器，压电音叉，压电音片等用作精密仪器中的时间和频率标准信号源三信号转换电声换能器拾声器，送话器，受话器，扬声器，蜂鸣器等声频范围的电声器件四发射与接收超声换能器超声切割，焊接，清洗，搅拌，乳化及超声显示等频率高于20KHz的超声器件，压电马达，探测地质构造，油井固实程度，无损探伤和测厚，催化反应，超声衍射，疾病诊断等各种工业用的超声器件水声换能器水下导航定位，通讯和探测的声纳，超声探测，鱼群探测和传声器等五信号处理滤波器通讯广播中所用各种分立滤波器和复合滤波器，如彩电中频滤波器；雷达，自控和计算系统所用带通滤波器，脉冲滤波器等放大器声表面信号放大器以及振荡器，混频器，衰减器，隔离器等表面波导声表面波传输线六传感与计测加速度计
压力计工业和航空技术上测定振动体或飞行器工作状态的加速度计，自动控制开关，污染检测用振动计以及流速计，流量计和液面计等角速度计测量物体角速度及控制飞行器航向的压电陀螺红外探测计监视领空，检测大气污染浓度，非接触式测温以及热成像，热电探测、跟踪器等位移与致动器激光稳频补偿元件，显微加工设备及光角度，光程长的控制器七存贮调制用于电光和声光调制的光阀，光闸，光变频器和光偏转器，声开关等存贮光信息存贮器，光记忆器显示铁电显示器，声光显示器等八其它非线性元件压电继电器
2.2压电陶瓷的极化机理及机电转换
压电陶瓷换能器用陶瓷片的极化过程是压电陶瓷片的电畴在直流电场作用下定向排列的过程。如图2所示。

图2压电陶瓷片的极化效应
图二中的①为极化前,②为极化后，a为陶瓷片的厚度(即极化电极之间的尺寸)，b为陶瓷片的电极。
压电陶瓷片极化后,若给陶瓷片施加一个低于极化电压的交流电信号,陶瓷片就会产生形变,如图(3)所示。如果外加的交流电信号与极化电压的极性相同,就