高q值压电晶体换能器
压电换能器设计原理 王德石,张恺
压电换能器设计原理王德石,张恺
压电换能器是一种能够将机械振动转化为电信号的器件，也可以将电信号转化为机械振动的器件。
其工作原理基于压电效应，即在某些物质中，当外力施加于其表面时，会产生内部电荷移动和极化，从而产生电势差。
压电材料通常包括晶体、陶瓷等材料，其中常见的压电材料有铅锆酸钛、锆钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电换能器的设计需要考虑以下几个方面。
一、材料选择
压电换能器的工作原理基于压电效应，因此需要选择具有良好压电性能的材料。
目前市场上常见的压电材料有陶瓷和晶体两种，具体选择取决于性能要求、成本限制等多重因素。
二、电极设计
为了使得压电材料产生足够的电信号，需要在其表面附着电极，通常使用金属材料作为电极材料，如铝、铜、钛等。
电极的设计需要考虑电极间间距、电极形状等因素，这些因素将会影响到换能器输出的电信号的大小和灵敏度等特性。
三、机械结构设计
机械结构设计是关键因素之一，因为它将直接影响到压电换能器的机械振动特性。
通常情况下，设计者需要根据具体应用场景确定所需要感应的振动频率范围，并且通过机械结构设计实现好对应的机械谐振条件，使得机械振动能够被压电材料感应出来。
电路设计也是关键因素之一，通过优化电路设计可以实现在高噪声和低信号环境中提高压电换能器的信噪比和输出电信号的稳定性。
电路的设计需要综合考虑信号放大、带通滤波等因素，以提高系统的效率和性能。
总之，压电换能器设计需要考虑材料、电极、机械结构和电路设计等多方面因素，才能够获得较好的工作性能，适应不同的应用需求。
压电电声换能器及其制造方法
压电电声换能器及其制造方法压电电声换能器是一种将机械振动转化为电信号的装置，广泛应用于声波传感、声波成像、声波通讯等领域。
其制造方法主要包括材料制备、加工成型、极化处理、电极制备等步骤。
首先，材料制备是制造压电电声换能器的第一步。
常用的材料有铅锆钛酸钠、铅镁铌酸钛、铅钛酸锆等。
这些材料需要经过粉末制备、干燥、筛分等工艺，以保证材料的纯度和均匀性。
其次，加工成型是制造压电电声换能器的关键步骤。
常用的加工方法有压制、注塑、烧结等。
其中，压制是最常用的方法，通过将粉末材料放入模具中，施加高压使其成型。
注塑则是将材料熔化后注入模具中，通过冷却固化成型。
烧结则是将成型后的材料在高温下进行烧结，使其变得致密。
接下来，极化处理是制造压电电声换能器的重要步骤。
极化处理是指将加工成型后的材料在电场中进行极化，使其具有压电性质。
常用的极化方法有直流电极化、交流电极化等。
其中，直流电极化是最常用的方法，通过将材料放入电极板中，施加高电压使其极化。
最后，电极制备是制造压电电声换能器的最后一步。
电极是将电信号传递到压电材料中的关键部件。
常用的电极制备方法有金属薄膜电极、导电胶电极等。
其中，金属薄膜电极是最常用的方法，通过在压电材料表面蒸镀金属薄膜制备电极。
总的来说，制造压电电声换能器需要经过材料制备、加工成型、极化处理、电极制备等多个步骤。
这些步骤需要严格控制工艺参数，以保证制造出高质量的压电电声换能器。
随着科技的不断发展，压电电声换能器的制造方法也在不断创新和改进，为其在各个领域的应用提供了更加广阔的空间。
换能器材料
磁致伸缩式换能器的原理
当有外加磁场作用时， 由于这种磁畴将发生转动， 使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致， 从而使该材料沿外磁场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应
变是很小的，约在 10-5~10-6 之间） 。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩 效应的材料在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。 这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而 可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。同样，利用逆磁致伸缩效应 则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将 使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位 于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势， 可以用作磁弹性效应的信 号， 达到接收超声波的效果 （注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致） 。
老化:压电陶瓷在经过极化上电极是暂时加热到高温或较大扰动后，其参数随时间变化 而变化称老化 居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度时，压电性能会完全消失。 电退极化：在压电陶瓷上加与原来极化电场相反的强电场，将引起退极化， 抗张强度：抗张强度《抗压强度 压电陶瓷是一种重要的功能材料具有优异的压电、 介电和光电等电学性能， 被广泛应用压 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。 它们的化学特性不活泼， 不易受化 学腐蚀，不受湿气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 陶瓷的形状确定取向。这些定向是极化过程中定下来的，该过程使陶瓷出现压电特性。直流 极化场的方向决定了机械和电学定向的方向。 对极化后的压电陶瓷换能器可在各个方向或组 合方向上展现压电分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大， 这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度以下的情况发生，若温度 超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。
压电换能器的工作原理
压电换能器的工作原理
压电换能器是一种将机械能转化为电能的设备，它的工作原理可
以分为以下几个步骤：
1. 压电效应
压电换能器采用的是压电陶瓷材料，这种材料可以通过受力而产
生电荷。
具体的原理是：当压电陶瓷受到外力压缩时，它的晶体结构
会发生畸变，导致它内部的电荷分布出现不均衡。
这时就会产生电场，从而产生电荷。
2. 电荷积累
随着外力的不断施加，压电陶瓷材料内部的电荷会不断累积。
这
些电荷通过导体连接到电荷放大器上，进一步放大，并输出到外部电
路中。
3. 电荷输出
在外部电路中，电荷输出可以通过多种电子元件来实现。
例如，
可以将电荷输入到一个电容器中，从而将机械能转化为电能。
或者可
以将电荷输入到一个电池中，从而为其他电子设备供电。
总之，压电换能器的工作原理主要依靠压电效应，通过其材料的
独特特性来实现将机械能转化为电能的目的。
而在实际应用中，压电
换能器被广泛用于各种机械设备上，如振动传感器、压力传感器等。
它不仅具有高灵敏度、广泛的频率响应范围等优点，而且非常方便安
装和使用，因此被认为是一种非常重要的能量转换器件。
压电换能器工作原理
压电换能器工作原理
压电换能器是一种利用压电效应将机械能转化为电能（或相反，将电能转化为机械能）的装置。
其工作原理主要基于压电效应和反压电效应。
在压电换能器中，通常使用压电材料作为工作元件，如压电陶瓷。
压电效应是指在某些晶体材料（如压电陶瓷）中，当施加外力或应力时，晶体表面会产生电荷分布不均，使其出现正电荷和负电荷的极化现象。
这种极化现象会导致晶体内部产生电场，从而形成一个电势差。
当压电材料受到外力或应力时，压电效应会使得材料极化并形成电势差。
如果在两个平行的压电片之间施加机械压力，产生的电势差会对电荷产生影响。
通过引导电路，电势差可以传递到负载上，从而产生电流。
这样，机械能就被转化为了电能。
同时，压电材料也具有反压电效应，即在材料上加电场时会引起晶体结构的形变。
利用反压电效应，可以将电能转化为机械能。
当电场施加到压电材料上时，产生了电场引起的力和位移，从而实现了机械能的转化。
总结起来，压电换能器的工作原理是基于压电效应和反压电效应。
通过外力或应力作用下，压电材料发生极化及电势差产生，使得机械能转化为电能。
而通过施加电场，电能又可以转化为机械能。
这种原理使得压电换能器在许多领域有广泛的应用，如声波传感器、压力传感器和电子鼓等。
压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用
压电晶体与压电陶瓷的结构、性能与应用摘要：压电晶体与压电陶瓷作为典型的功能材料，具有能实现机械能与电能之间互相转换的工作特性，在电子材料领域占据相当大的比重。
本文从压电效应入手，阐述了压电晶体与压电陶瓷的结构原理以及性能特点。
针对压电晶体与压电陶瓷在生产实践中的应用情况，综述了其近年来的研究进展，并系统介绍了其在各个领域的应用情况和发展趋势。
关键词：压电晶体压电陶瓷压电效应结构性能应用发展引言1880年皮埃尔•居里和雅克•居里兄弟在研究热电现象和晶体对称性的时候，在α石英晶体上最先发现了压电效应。
1881年，居里兄弟用实验证实了压电晶体在外加电场作用下会发生形变。
1894年，德国物理学家沃德马•沃伊特，推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。
[1]石英是压电晶体的代表，利用石英的压电效应可以制成振荡器和滤波器等频率控制元件。
在第一次世界大战中，居里的继承人朗之万，为了探测德国的潜水艇，用石英制成了水下超声探测器，从而揭开了压电应用史的光辉篇章。
除了石英晶体外，酒石酸钾钠、BaTiO3陶瓷也付诸应用。
1947年美国的罗伯特在BaTiO3陶瓷上加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。
随后，美国和日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究，这种广泛的应用研究进行到上世纪50年代中期。
1955年美国的B.贾菲等人发现了比BaTiO3的压电性优越的PbZrO3-PbTiO3二元系压电陶瓷，即PZT压电陶瓷，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了一个崭新的局面。
BaTiO3时代难以实用化的一些应用，特别是压电陶瓷滤波器和谐振器以及机械滤波器等，随着PZT压电陶瓷的出现而迅速地实用化了。
采用压电材料的SAW滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，上世纪70年代末也已实用化。
上世纪70年代初引起人们注意的有机聚合物压电材料（PVDF），现在也已基本成熟，并已达到了生产规模。
换能器产生超声波的原理
换能器产生超声波的原理
换能器是一种将电能转化为机械振动能的装置，广泛应用于医疗、工业和科学等领域。
换能器产生超声波的原理是基于压电效应，在电场作用下产生机械振动。
压电效应是指一些晶体在受到外加电场作用时，会发生形变，从而产生机械振动。
这种晶体被称为压电晶体，如石英、铅锆酸钛等。
换能器中常用的压电晶体是铅锆酸钛晶体。
换能器的结构一般由压电陶瓷片和金属振动体组成。
压电陶瓷片置于金属振动体的一端，并通过螺丝或胶水固定。
金属振动体通常为圆柱形，也有其他形状。
换能器的另一端连接电极，实现电能输入。
当电压施加在换能器的电极上时，电场在压电陶瓷片中产生，引起压电效应。
压电陶瓷片会在电场的作用下发生形变，产生机械振动。
振动的频率和振幅与施加在电极上的电压成正比。
换能器结构中的金属振动体起到了放大和聚焦的作用。
当压电陶瓷片振动时，机械能会通过金属振动体传递，并进一步放大和集中在振动体的一端。
这样，振动体的一端就成为辐射超声波的源点。
超声波以球面波的形式从源点辐射出去。
超声波是频率超过20kHz的机械波，超出了人类听觉范围。
换能器产生的超声波可以通过介质传播，并在与物体相互作用时产生一系列现象。
超声波在物体中
的传播和反射会产生回波，通过接收回波可以获取物体的信息，实现诊断、测量、探测等功能。
总结起来，换能器产生超声波的原理是通过压电效应，在电场作用下引起压电晶体的机械振动。
振动通过金属振动体放大和聚焦，形成超声波源点。
超声波辐射出去，通过介质传播并相互作用于物体，产生回波，实现超声波的应用功能。
压电材料介绍及压电方程超声换能器
称为压电效应 F
+ + + + + + + + ++
实线代表晶片变形前的
情况，虚线代表晶片变 形后的情况
正压电效应示意图
1 压电学的简单回顾
压电效应的简单回顾
压电学的发展已经有了一百多年的历史
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应 1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应 1894年，Voigt指出，仅无对称中心的二十种点群的
压电复合材料发展速度很快，目前已被用于无损检测 、水声和医用超声换能器中，现在的B超诊断仪的探 头里所用的换能器几乎全部采用了压电复合材料
6 超声换能器
超声换能器
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信 号转换成声信号或者将外界的声场中的声信号 转换为电信号的能量转换器件
目前压电陶瓷是超声研究中应用最广的材料
缺点是其性能与温度有关，机电耦合系数小，损耗大 ，介电常数很小，因此此类材料不适合制作发射型换 能器
压电复合材料
把压电材料（通常指PZT：压电陶瓷(锆钛酸铅)）和非 压电材料（高分子聚合物）按一定的方式相结合，就 成为了另一种新型材料，即压电复合物
压电复合物有两相材料组成，其特性和其组成材料的 特性及组成比例有关系，与纯粹的压电陶瓷比，压电 复合物具有低密度、低阻抗、低机械品质因数、高频 带、高的抗机械冲击性能和低的横向耦合振动等优点
受到压力作用时会在两端出现电压的晶体材料叫压 电材料
3 晶体（Crystal）
晶体
内部质点具有周期性排列的格子结构的固体 晶体的共性
均匀性：晶体内部各个部分宏观性质是相同 各向异性：晶体不同的方向上具有不同的物理性质 对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特
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高q值压电晶体换能器
压电晶体是一种特殊的晶体材料，具有压电效应，即当施加压力或受到外界电场刺激时，会产生电荷分离。
压电晶体换能器是利用这种压电效应将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的装置。
其中，高q值压电晶体换能器是一种具有高质量因数（q值）特性的压电换能器。
高q值压电晶体换能器具有以下优点：
1. 高灵敏度：高q值压电晶体换能器对外界的微小压力或电场变化非常敏感。
当外界压力或电场变化时，压电晶体能够迅速产生相应的电荷分离，从而实现能量转换。
2. 广泛应用：高q值压电晶体换能器在工业、医疗、军事等领域具有广泛的应用。
例如，在工业领域，高q值压电晶体换能器可以用于测量、控制和检测等方面；在医疗领域，可以用于超声成像、医疗设备等方面；在军事领域，可以用于声纳、潜艇探测等方面。
3. 高效能转换：由于高q值压电晶体换能器具有高质量因数，能够在能量转换过程中最大限度地保持能量的有效传输。
这使得压电换能器具有较高的转化效率，能够更有效地将机械能转化为电能或将电能转化为机械能。
4. 高稳定性：高q值压电晶体换能器具有较高的稳定性，能够在长
时间使用过程中保持良好的性能。
这使得压电换能器非常适用于需要长时间稳定性运行的应用场合。
5. 尺寸小巧：高q值压电晶体换能器具有较小的体积和重量，能够方便地集成到各种设备中。
这使得压电换能器在一些对体积和重量要求较高的应用中具有优势。
然而，高q值压电晶体换能器也存在一些局限性：
1. 频率限制：高q值压电晶体换能器的工作频率有一定的限制。
由于压电晶体的固有机械和电学特性，其工作频率一般较低，通常在几千赫兹至几兆赫兹之间。
2. 温度敏感性：高q值压电晶体换能器的性能受温度影响较大。
在较高温度下，压电晶体的性能可能会发生变化，从而影响到换能器的工作效果。
因此，在一些高温环境下的应用需要特殊考虑。
为了克服这些局限性，研究人员正在不断努力改进压电晶体材料和设计新的高q值压电晶体换能器结构，以提高其工作频率和温度稳定性。
高q值压电晶体换能器作为一种能够将机械能和电能相互转换的装置，在各个领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步和发展，相信高q值压电晶体换能器将会在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。