压电陶瓷片的原理及特性

压电陶瓷片的原理及特性压电效应具有可逆性：若在压电陶瓷片上施以音频电压，就能产生机械振动，发出声响；反之，压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感，所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。考虑到在低频下工作，仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，其外形与符号如图1所示。它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。D一般为15~40mm，复合振动片的总厚度为h。当压电材料—定时，谐振频率与h成正比，与(D/2)2成反比。谐振频率fo与复合振动片的直径D呈指数关系，如图2(a)所示。显然D愈大，低频特性愈好。压电陶瓷片作传声器使用时，工作频率约为300Hz~5kHz。压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比，由图2(b)可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。压电陶瓷片的驱动压电陶瓷片有两种驱动方式。第一种是自激振荡式驱动。其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。此时压电陶瓷片呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，因此亦称为电流驱动型。第二种为他激振荡式驱动，利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于电压驱动式。其优点是音域较宽。音色较好。压电陶瓷片的测试方法1、电压测试法在业余条件下，可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏，具体方法是：将万用表拨至2.5V直流电压档，左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面，右手持两支表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放在陶瓷表面上，如图1所示。然后左手拇指与食指稍用力压紧一下，随即放松，压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号，使指针先是向右捏一下，接着返回零位，又向左摆一下。摆动幅度约为0.1~0.15V。在压力相同的情况下，摆幅愈大，压电陶瓷片的灵敏度愈高。若表针不动，说明压电陶瓷片内部漏电或者破损。交换两支表笔位置后重新试验，指针摆动顺序应为：向左摆-回零-向右摆-回零。在意事项：①如果用交流电压档，就观察不到指针摆动情况，这是由于所产生的电压信号变化较缓慢的缘故。②检查之前，首先用R×1k或R×10k档测量绝缘电阻，应为无穷大，否则证明漏电，压电陶瓷片受强烈震动而出现裂纹后，可用电烙铁在裂纹处薄薄地徐上一层焊锡，—般能继续使用。③检查时用力不宜过大、过猛，更不得弯折压电陶瓷片；勿使表笔头划伤陶瓷片，以免损坏片子。④若在压电陶片上一直加恒定的压力，由于电荷不断泄漏，指针摆动一下就会慢慢地回零。2．电流测试法利用万用表50uA挡，也可以检查压电陶瓷片的好坏。电路如图2所示。将红表笔接金属片，黑表笔接压电陶瓷表面。两手沿轴向施以作用力+F、-F时，表针应向右摆几个微安；再松开手时，表针又向左摆几个微安；设施力与松力时间均为dt，则通过微安表的电流平均值分别为：I＝＋Q/△t，I2＝－Q/△t。3．借助反相器测试法前面介绍过压电陶瓷片有自激振荡式驱动和他激振荡式驱动两种方式，下面是根据第二种方式而设计的检查压电陶瓷片的电路图见图3现采用一片CC4069六反相器，由反相器F1和F2构成两级反相式阻容振荡器，F3起隔离作用。接上压电陶瓷片后，即组成完整的蜂鸣器(BZ)电路。图中的数字表示CC4069的管脚号。实选R1为470kΩ可调电阻，C＝470pF，FR2＝1MΩ。代入式（f0=0.455/(R1C1)）中求出输出方波频率f0约为2kHz。电源电压VDD选6~9V。闭合开关S时，被测压电陶瓷片应能发声。然后逐渐调整R1，当R1↑时，fo↑，音调升高；当R1↓时，fo↓，音调降低。用这种方法还可测量压电陶瓷片的频率特性。压电陶瓷片的应用压电陶瓷片主要用于压电扬声器、传声器、超声延迟线、测量振动和测量压力的传感器、电话中的送受话器等方面作机械能(声能)转换成电能，或在低功率下由电能转换成机械能的换能元件；也可应用于超声波清洗焊接、探伤、超声诊断、超声医疗、水声发射、引燃、引爆等作高压强功率时将电能转换成机械能的换能元件。