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压电陶瓷有哪些应用?你兜里可能就有!

2021-03-16 16:50:06
除了应用于高科技领域, 压电陶瓷在日常生活中应用也不少。例如,我们身边抽烟的朋友不少,一般情况下会兜里都会装个打火机,现在常用的打火机大多数都是由压电陶瓷通过尖端放电点燃的。

 

下图是打火机的点火装置实物图和结构示意图,我们看到它里面用到了两粒柱状压电陶瓷。当我们按压打火按钮时,弹簧会推动一个重锤打击压电陶瓷柱,产生一数千伏的高压火花,点燃可燃气体。

 

 

 

压电陶瓷的应用

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压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。

 

1

压电陶瓷频率控制器件

 

压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片(压电振子)在外加交变电压作用下,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小,但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时会引起共振,振幅大大增加。这时,交变电场通过逆压电效应产生应变,而应变又通过正压电效应产生电流,电能和机械能最大限度地互相转换,形成振荡。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等,其频率稳定性好,精度高,适用频率范围宽,体积小,不吸潮,寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,所以目前已取代了相当大一部份电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。

 

2

压电换能器

 

压电换能器是利用压电陶瓷的压电效应和逆压电效应实现电能和声能的相互转化。压电超声换能器就是其中的一种, 它是水下发射和接收超声波的水声器件。处于水中的压电换能器在声波的作用下, 换能器两端会感应出电荷来, 这就是声波接收器;若在压电陶瓷片上施加一个交变电场, 陶瓷片就会时而变薄时而变厚, 同时产生振动, 发射声波, 这就是超声波发射器。压电换能器在工业中还被广泛用作水中导航、海洋探测、精密测量、超声清洗、固体探伤以及医学成像、超声诊断、超声疾病治疗等方面。当今压电超声换能器的另一个应用的领域是遥测和遥控系统, 其具体应用实例主要有:压电陶瓷蜂鸣器、压电点火器、超声显微镜等。

 

 

3

光电方面的应用

 

压电陶瓷除具有压电效应外,还有热释电效应、光弹、光电效应。这方面应用器件有:光调制器、光阀、电光显示、光信息储存、映象储存和显示、电控多色滤波器。透明铁电压电陶瓷(PLZT)是一种很有价值的新型电子材料,开辟了压电陶瓷材料在电光应用上的发展,其具有易于加工成各种不同尺寸和形状的制品,控制组成性质可变范围宽,成本低等特点。

 

4

压电驱动器

 

压电驱动器由压电陶瓷材料锆钛酸铅(PZT)制造而成。如果采用单板型压电陶瓷PZT,1cm厚的PZT要想得到10微米左右的驱动位移,则两端需要施加5KV的电压。给PZT施加如此高的电压,可能会使绝缘击穿而引起机械破坏。因为压电陶瓷的变形量与厚度无关,由此人们开发出了层叠式压电驱动器。将压电陶瓷做成很薄的薄片(现在已经能制造出0.05毫米压电陶瓷薄片),将多片压电陶瓷基片,采用机械上串连、电路上并连,然后烧结在一起的方式制成。这样,给它施加数百伏的电压便可得到很大的驱动位移。在应用中,人们还开发出了体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高的柔性铰链结构用于位移放大。

 

5

微定位器

 

微定位器主要用于微米级及亚微米级精度的定位控制,如光学仪器的生产,光纤对接,高精度三维微动台,高精度机加工及隧道效应的研究等。在定位技术中,传统的定位装置,如滚动或滑动导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮-凹轮机构、齿轮-杠杆式机构等机械传动式微位移驱动器构成定位机构,由于存在着较大的间隙和摩擦,所以无法实现超精密定位。而采用压电驱动器结合柔性铰链放大机构,可以克服上述缺点而实现微纳米级的超精密定位。

 

6

超声马达

 

超声马达是一种新型电机,它是靠压电陶瓷材料作为驱动器。在交变电场下,陶瓷产生伸缩现象,在弹性体中激发某种类型的超声频率振动和波动时,弹性体的表面借助于摩擦力,推动与其接触的物体运动。通常要通过各种振动模式转换与复合,压电马达才能将压电体的简单伸缩模式变成需要的可用来产生旋转或直线运动的驱动模式。

 

 

7

振动主动控制

 

振动主动控制利用了压电陶瓷的智能功能(压电陶瓷既能感知噪声信号,又能发出与噪声信号相位相反、强度相等的声信号,以抵消噪声的功能),它主要用于飞机、潜水艇、军用车辆的噪声主动控制,是一项很有用途的高新技术,在未来的军事领域将起着很重要的作用。

 

8

超声医疗

 

压电超声医疗仪中应用最广的是B型超声诊断仪。这种诊断仪中有用压电陶瓷制成的超声波发生探头,它发出的超声波在人体内传输,体内各种不同组织对超声波有不同的反射和透射作用。反射回来的超声波经压电陶瓷接收器转换成电信号,并显示在屏幕上,据此可看出各内脏的位置、大小及有无病变等。B型超声诊断仪通常用来检查内脏病变组织(如肿块等)。压电陶瓷还可应用于超声治疗。进入人体的超声波达到某一强度时,能使人体某一部分组织发热、轻微振动,起到按摩推拿作用,达到治疗的目的,如用于治疗关节、肌肉及其他软组织的创伤和劳损。此外,还可用超声波粉碎体内结石,如胆结石、肾结石、尿路结石等。


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