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壓電材料應用

2020-07-27 10:35:02

介電溫譜測試


介電溫譜測試公司的壓電材料的應用領域可以粗略分為兩大類:即振動能和超聲振動能-電能換能器應用,包括電聲換能器,水聲換能器和超聲換能器等,以及其它傳感器和驅動器應用。

換能器

換能器是將機械振動轉變為電信號或在電場驅動下產生機械振動的器件壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應,而換能器設計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅動下的彎曲振動,利用上述原理可生產電聲器件如麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器。對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點,研製運用其它現行技術難以實現的、而且具有特殊電聲功能的器件,如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發射係統等。

壓電聚合物水聲換能器研究初期

均瞄準軍事應用,如用於水下探測的大麵積傳感器陣列和監視係統等,隨後應用領域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設備等方麵。為滿足特定要求而開發的各種原型水聲器件,采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料,如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等,以充分發揮壓電聚合物高彈性、低密度、易於製備為大和小不同截麵的元件、而且聲阻抗與水數量級相同等特點,最後一個特點使得由壓電聚合物製備的水聽器可以放置在被測聲場中,感知聲場內的聲壓,且不致由於其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內的瞬態振蕩,從而進一步增強壓電聚合物水聽器的性能。

壓電聚合物換能器在生物醫學傳感器領域,尤其是超聲成像中,獲得了最為成功的應用、PVDF薄膜優異的柔韌性和成型性,使其易於應用到許多傳感器產品中。

驅動器

壓電驅動器利用逆壓電效應,將電能轉變為機械能或機械運動,聚合物驅動器主要以聚合物雙晶片作為基礎,包括利用橫向效應和縱向效應兩種方式,基於聚合物雙晶片開展的驅動器應用研究包括顯示器件控製、微位移產生係統等。要使這些創造性設想獲得實際應用,還需要進行大量研究。電子束輻照P(VDF-TrFE)共聚合物使該材料具備了產生大伸縮應變的能力,從而為研製新型聚合物驅動器創造了有利條件。在潛在國防應用前景的推動下,利用輻照改性共聚物製備全高分子材料水聲發射裝置的研究,在美國軍方的大力支持下正在係統地進行之中。除此之外,利用輻照改性共聚物的優異特性,研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域應用,還需要進行大量的探索。

傳感器

1.壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應所製成的。壓電式壓力傳感器的基本結構如右圖所示。由於壓電材料的電荷量是一定的,所以在連接時要特別注意,避免漏電。壓電式壓力傳感器的優點是具有自生信號,輸出信號大,較高的頻率響應,體積小,結構堅固。其缺點是隻能用於動能測量。需要特殊電纜,在受到突然振動或過大壓力時,自我恢複較慢。

2.壓電式加速度傳感器

壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個表麵上鍍有電極,並引出引線。在壓電晶片上放置一個質量塊,質量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金製成。然後用一硬彈簧或螺栓,螺帽對質量塊預加載荷,整個組件裝在一個原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應變傳送到壓電元件上去,避免產生假信號輸出,所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來製造,殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

測量時,將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當傳感器受振動力作用時,由於基座和質量塊的剛度相當大,而質量塊的質量相對較小,可以認為質量塊的慣性很小。因此質量塊經受到與基座相同的運動,並受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣,質量塊就有一正比於加速度的應變力作用在壓電晶片上。由於壓電晶片具有壓電效應,因此在它的兩個表麵上就產生交變電荷(電壓),當加速度頻率遠低於傳感器的固有頻率時,傳感器給輸出電壓與作用力成正比,亦即與試件的加速度成正比,輸出電量由傳感器輸出端引出,輸入到前置放大器後就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度;如果在放大器中加進適當的積分電路,就可以測試試件的振動速度或位移。

機器人

機器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個:其一,在接觸對象物體之前,獲得必要的信息,為下一步運動做好準備工作;其二,探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。如發現有障礙,則及時采取一定措施,避免發生碰撞;其三,為獲取對象物體表麵形狀的大致信息。

超聲波是人耳聽見的一種機械波,頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音,振動頻率範圍隻是20HZ-20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小,而能成為聲波射線並定向傳播,機器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環境中較大的物體,不能測量距離小於30mm的物體。

超聲傳感器包括超聲發射器、超聲接受器、定時電路和控製電路四個主要部分。它的工作原理大致是這樣的:首先由超聲發射器向被測物體方向發射脈衝式的超聲波。發射器發出一連串超聲波後即自行關閉,停止發射。同時超聲接受器開始檢測回聲信號,定時電路也開始計時。當超聲波遇到物體後,就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號後,定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間,是從發射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。

利用傳播時間值,可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單,即聲波傳播時間的一半與聲波在介質中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作過程都是在控製電路控製下順序進行的。

壓電材料除了以上用途外還有其它相當廣泛的應用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。


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