压电陶瓷分析.pptx

6.3 压电陶瓷压电陶瓷本章主要内容：本章主要内容：1 相关概念相关概念（1）极化；（）极化；（2）压电效应；（）压电效应；（3）压电陶瓷。）压电陶瓷。2 压电陶瓷的性能参数压电陶瓷的性能参数（1）弹性常数；（）弹性常数；（2）机械品质因素；）机械品质因素；（3）压电性、压电常数与压电方程；（）压电性、压电常数与压电方程；（4）机电耦）机电耦合系数。合系数。3 压电陶瓷的生产工艺（以压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）陶瓷为例）4 压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用5 压电超声换能器的应用与发展压电超声换能器的应用与发展1 相关概念相关概念（1）极化）极化：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷移动，造：是指电介质陶瓷中的分子正负电荷移动，造成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极成正负电荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极矩。矩。（2）压电效应）压电效应：在没有对称中心的晶体上施加一个：在没有对称中心的晶体上施加一个机械机械力力（压力、张力或切向力）时，则发生与应力成比例（压力、张力或切向力）时，则发生与应力成比例的介质极化，在晶体表面的两电极上会出现等量的正、的介质极化，在晶体表面的两电极上会出现等量的正、负电荷，电荷多少与力的大小成正比，当机械力撤去负电荷，电荷多少与力的大小成正比，当机械力撤去后，电荷会消失，这种现象称为后，电荷会消失，这种现象称为正压电效应正压电效应。当在晶。当在晶体上施加一个体上施加一个外电场外电场引起极化时，晶体会发生形变，引起极化时，晶体会发生形变，且形变大小与电场成正比，若撤除电场，则晶体又恢且形变大小与电场成正比，若撤除电场，则晶体又恢复原状，这一现象称为复原状，这一现象称为逆压电效应逆压电效应。正、逆效应统称。正、逆效应统称为为压电效应。压电效应。（3）压电陶瓷）压电陶瓷：经过：经过人工极化人工极化处理具有处理具有压电效应压电效应的陶的陶瓷制品。瓷制品。人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极人工极化：是指在压电陶瓷上施加直流强电场进行极化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取化，使陶瓷的各个晶粒内的自发极化方向将平均地取向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现向于电场方向，使之具有近似于单晶的极性，并呈现出明显的压电效应。出明显的压电效应。2 压电陶瓷的性能参数压电陶瓷的性能参数（1）弹性常数）弹性常数(elastic coefficient)n弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变弹性常数是反映材料在弹性形变范围内应力与应变关系的物理量。关系的物理量。n它服从胡克定律：它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应在弹性限度范围内，应力与应变成正比。变成正比。”设应力为设应力为T，加于截面积为，加于截面积为A的压电陶的压电陶瓷上（单位：瓷上（单位：N/m2），其所产生的应变为），其所产生的应变为S（无量（无量纲），则根据胡克定律，应力与应变之间有如下关纲），则根据胡克定律，应力与应变之间有如下关系：系：S=sT T=cS 式中式中s为弹性顺度常数，单位为为弹性顺度常数，单位为m2/N；c为弹性劲为弹性劲度常数，单位为度常数，单位为N/m2。（2）机械品质因素）机械品质因素(mechanical quality factor)它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械它表示在振动转换时，材料内部能量消耗的程度。机械品质因素越大，能量的损耗越小。品质因素越大，能量的损耗越小。（3）压电性、压电常数与压电方程）压电性、压电常数与压电方程u压电陶瓷具有压电陶瓷具有压电性压电性，即施加应力时能产生额外的电荷，即施加应力时能产生额外的电荷，其所产生的电荷与施加的应力成比例。其所产生的电荷与施加的应力成比例。u压电陶瓷的压电陶瓷的压电常数压电常数有压电应变常数、压电电压常数、有压电应变常数、压电电压常数、压电应力常数以及压电劲度常数等。压电应力常数以及压电劲度常数等。u反映压电陶瓷的弹性变量（即应力、应变）和电学变量反映压电陶瓷的弹性变量（即应力、应变）和电学变量(即电场、电位移即电场、电位移)之间的关系的方程式，称为之间的关系的方程式，称为压电方程压电方程。（4）机电耦合系数）机电耦合系数(electromechanical coupling factor)u机电耦合系数机电耦合系数K是综合反映压电材料性能的参数，它是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。u机电耦合系数可定义为：机电耦合系数可定义为：电能转变为机械能电能转变为机械能 机械能转变为电能机械能转变为电能 K2=-K2=-输入电能输入电能 输入机械能输入机械能3 压电陶瓷的生产工艺（以压电陶瓷的生产工艺（以PZT陶瓷为例）陶瓷为例）n典型压电陶瓷：钛酸钡、钛锆酸铅、钛酸铅n下面以下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷为例介绍压电陶陶瓷为例介绍压电陶瓷的必要工序及制作方法。瓷的必要工序及制作方法。n压电陶瓷生产的主要工艺流程：压电陶瓷生产的主要工艺流程：配料配料球磨球磨过滤、干燥过滤、干燥预烧预烧二次球磨二次球磨过滤、过滤、干燥干燥过筛过筛成型成型排塑排塑烧结烧结精修精修上电极上电极烧银烧银极化极化测试。测试。（1）原料处理原料处理原料的纯度原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来说，希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的原料，如如 Pb3O4（或（或PbO）、）、ZrO2和和TiO2等，等，若纯度低，引若纯度低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料则入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量的原料则纯度要求相对低些。纯度要求相对低些。以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行煅以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行煅烧粉碎，通常希望烧粉碎，通常希望颗粒度颗粒度在在2um以下。以下。（2）预烧）预烧n经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的是为了使化学反应充分进行。是为了使化学反应充分进行。n实验表明实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间），也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。n预烧过程一般需经过四个阶段预烧过程一般需经过四个阶段：线性膨胀（室温：线性膨胀（室温400）、固相反应（）、固相反应（400750）、收缩）、收缩（750850）和晶粒生长（）和晶粒生长（800900 以上）。以上）。（3）成型和排塑）成型和排塑v简单形状的制品通过简单形状的制品通过模压法成型模压法成型，不均匀截面的条形，不均匀截面的条形制品可以通过制品可以通过挤压法成型挤压法成型，薄板用，薄板用流延法和轧膜法成流延法和轧膜法成型型，大的圆环和更复杂的形状用，大的圆环和更复杂的形状用注浆法成型注浆法成型。v成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比成型之前需加入粘合剂（常用的粘合剂的配制质量比为：聚乙烯醇为：聚乙烯醇15%，甘油，甘油7%，酒精，酒精3%，蒸馏水，蒸馏水75%；在；在90下搅拌溶化）。下搅拌溶化）。v成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑成型后生坯中的粘合剂、水分等加温排去，称为排塑或排胶。或排胶。通常排塑温度通常排塑温度800850，保温时间，保温时间1小时左小时左右。右。（4）烧结）烧结v烧结温度范围主要是由化学组成决定的。烧结温度范围主要是由化学组成决定的。低于烧结范低于烧结范围围，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。，制品的气孔率高、致密度低，压电性能也就差。如果超过烧结范围的上限如果超过烧结范围的上限，则由于出现过多液相，会，则由于出现过多液相，会发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，发生粘连，或严重失铅，也会导致性能下降。此外，烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。烧结温度过高会使晶粒过大，机械强度变差。v烧结过程中烧结过程中PbO的挥发的挥发对产品质量影响很大。由于对产品质量影响很大。由于PbO挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止挥发，破坏了配方的化学组成，工艺上为了防止PbO挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等挥发，通常采用密封法、埋入法、加气氛片法等措施加以解决。措施加以解决。（5）上电极）上电极 烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。烧成的陶瓷经精修、清洁后，就可以被覆上电极。一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，一般来说是将含银涂料（银浆）涂于制品表面，并在并在600800下烧结，使银浆中的氧化银还原下烧结，使银浆中的氧化银还原为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对为银，并烧渗到陶瓷表面，形成牢固结合层。对于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金于薄片，可以通过溅射或蒸发镀上一层镍铬或金作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处作为电极。被上电极的产品便可进行人工极化处理。理。（6）极化）极化v压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好压电陶瓷烧结后还需极化处理。这是因为刚烧结好的压电陶瓷电畴无规则取向，故整体不呈压电性，的压电陶瓷电畴无规则取向，故整体不呈压电性，只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显只有通过极化处理使电畴沿一特定方向极化后才显出压电性。出压电性。v提高极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于提高极化电场，极化温度以及延长极化时间有利于极化的充分进行。极化的充分进行。4 压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用v压电陶瓷的压电性是居里兄弟于压电陶瓷的压电性是居里兄弟于1880年年在单晶体上在单晶体上发现的。发现的。v1940年以前年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种，只有单晶体压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。v第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年年用陶用陶瓷制造的瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但留声机拾音器，但BaTiO3存在压电存在压电性弱和压电性随温度变化大的缺点。性弱和压电性随温度变化大的缺点。v1954年年美国美国B.贾菲等人发现了贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3（PZT）固溶体系统，它使在）固溶体系统，它使在BaTiO3时代不能制作的时代不能制作的器件成为可能。器件成为可能。v70年代年代，人们又研制出，人们又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。瓷的应用扩展到光学领域。v目前，压电陶瓷的应用已日益广泛目前，压电陶瓷的应用已日益广泛，大致可分为，大致可分为压电压电振子振子和和压电换能器压电换能器两个方面。两个方面。前者前者主要是利用振子本主要是利用振子本身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，身的谐振特性，要求压电、介电、弹性等性能稳定，机械品质因数高。机械品质因数高。后者后者主要是将一种能量形式转成另主要是将一种能量形式转成另一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。一种能量形式，要求机电耦合系数和品质因数高。压电陶瓷的应用领域压电陶瓷的应用领域应用领域应用领域举举 例例 电电 源源雷达，电视显像管，高压电源，点火装置雷达，电视显像管，高压电源，点火装置信号转换信号转换振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器振荡器，音叉，送话器，蜂鸣器，超声换能器发射接收发射接收超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗超声探测，声纳，水下导航，无损检测，医疗信号处理信号处理滤波器，放大器，振荡器，混频器滤波器，放大器，振荡器，混频器传感计测传感计测加速度计，压力计，角速度计，红外探测器加速度计，压力计，角速度计，红外探测器存贮显示存贮显示电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器电光、声光调制器，光存贮器，声光显示器其其 它它非线性元件，压电继电器等非线性元件，压电继电器等压电陶瓷应用（一）压电陶瓷应用（一）压电陶瓷应用（二）压电陶瓷应用（二）5 压电超声换能器的应用与发展压电超声换能器的应用与发展5.1 引言引言v超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。v最早的超声换能器是最早的超声换能器是P.郎之万郎之万(P.Langevin)在在1917年年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。英晶体为压电材料，用两块钢板在两侧夹紧而成的。v1933年年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。能器。v到了到了50年代，年代，由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功，使郎之万型超声换能器再度兴起。器再度兴起。v目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精目前压电超声的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应的要求越来越高。超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得用的关键部件，国内外均大力研究，近年来取得了很多成就。了很多成就。v本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。本节将介绍压电超声换能器的种类、应用和发展。5.2 压电超声换能器的种类压电超声换能器的种类 压电超声换能器的种类很多：压电超声换能器的种类很多：v按按组组成成超超声声换换能能器器的的压压电电元元件件形形状状分分为为薄薄板板形形、圆圆片片形形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等；v按振动模式按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等；v按伸缩振动的方向按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等；分为厚度、切向、纵向、径向等；v按按压压电电转转换换方方式式分分为为发发射射型型(电电-声声转转换换)、接接收收型型(声声-电电转换转换)、发射、发射-接收复合型等。接收复合型等。5.3 压电换能器的应用压电换能器的应用 压压电电换换能能器器的的应应用用十十分分广广泛泛，它它按按应应用用的的行行业业分分为为工工业业、农农业业、交交通通运运输输、生生活活、医医疗疗及及军军事事等等；按按实实现现的的功功能能分分为为超超声声加加工工、超超声声清清洗洗、超超声声探探测测、检检测测、监监测测、遥遥测测、遥遥控控等等；按按工工作作环环境境分分为为液液体体、固固体体、气气体体、生生物物体体等等；按按性性质质分分为为功功率率超超声声、检检测超声、超声成像等。测超声、超声成像等。（1）压电陶瓷变压器）压电陶瓷变压器v压压电电变变压压器器是是利利用用极极化化后后压压电电体体的的压压电电效效应应来来实实现现电电压压输输出出的的。其其输输入入部部分分用用正正弦弦电电压压信信号号驱驱动动，通通过过逆逆压压电电效效应应使使其其产产生生振振动动，振振动动波波通通过过输输入入和和输输出出部部分分的的机机械械藕藕合合到到输输出出部部分分，输输出出部部分分再再通通过过正正压压电电效效应应产产生生电电荷荷，实实现现压压电电体体的的电电能能-机机械械能能-电电能能的的两两次次变变换换，在在压压电电变变压器的谐振频率下获得最高输出电压。压器的谐振频率下获得最高输出电压。v与与电电磁磁变变压压器器相相比比，这这具具有有体体积积小小，质质量量轻轻，功功率率密密度度高高，效效率率高高，耐耐击击穿穿，耐耐高高温温，不不怕怕燃燃烧烧，无无电电磁磁干干扰扰和和电电磁磁噪噪声声，且且结结构构简简单单、便便于于制制作作、易易批批量量生生产产，在在某某些些领领域域成成为为电电磁磁变变压压器器的的理理想想替替代代元元件件等等优优点点。此此类类变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。变压器用于开关转换器、笔记本电脑、氖灯驱动器等。（2）超声马达）超声马达v 超超声声马马达达是是把把定定子子作作为为换换能能器器，利利用用压压电电晶晶体体的的逆逆压压电电效效应应让让马马达达定定子子处处于于超超声声频频率率的的振振动动，然然后后靠靠定定子子和和转转子子间间的的摩摩擦擦力力来来传传递递能能量量，带带动动转转子转动。子转动。v超超声声马马达达体体积积小小，力力矩矩大大，分分辨辨率率高高，结结构构简简单单，直直接接驱驱动动，无无制制动动机机构构，无无轴轴承承机机构构，这这些些优优点点有有益益于于装装置置的的小小型型化化。它它们们广广泛泛应应用用于于光光学学仪仪器器、激激光光、半半导导体体微微电电子子工工艺艺、精精密密机机械械与与仪仪器器、机机器人、医学与生物工程领域。器人、医学与生物工程领域。(3)超声波清洗超声波清洗v 超超声声清清洗洗的的机机理理是是利利用用超超声声波波在在清清洗洗液液中中传传播播时时的的空空化化、辐辐射射压压、声声流流等等物物理理效效应应，对对清清洗洗件件上上的的污污物物产产生生的的机机械械起起剥剥落落作作用用，同同时时能能促促进进清清洗洗液液与与污污物物发发生生化化学学反应，达到清洗物件的目的。反应，达到清洗物件的目的。v清清洗洗所所用用的的频频率率根根据据清清洗洗物物的的大大小小和和目目的的可可选选用用10500 kHz，一一般般多多为为2050kHz。随随着着频频率率的的增增加加，可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。可采用郎之万振子、纵向振子、厚度振子等。v超超声声清清洗洗在在各各种种工工业业、农农业业、家家用用设设备备、电电子子、汽汽车车、橡橡胶胶、印印刷刷、飞飞机机、食食品品、医医院院和和医医学学研研究究等等行行业业得得到到了越来越广泛的应用。了越来越广泛的应用。(4)超声焊接超声焊接v超声焊接有超声焊接有超声金属焊接超声金属焊接和和超声塑料焊接超声塑料焊接两大类。两大类。其其中中超声塑料焊接技术超声塑料焊接技术已获得较为普遍的应用。它是利已获得较为普遍的应用。它是利用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能用换能器产生的超声振动，通过上焊件把超声振动能量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所量传送到焊区。由于焊区即两焊件交界处声阻大，所以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下以会产生局部高温使塑料熔化，在接触压力的作用下完成焊接工作。完成焊接工作。v超声塑料焊接超声塑料焊接可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，可方便焊接其他焊接法无法焊接的部位，另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工另外，还节约了塑料制品昂贵的模具费，缩短了加工时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。时间，提高了生产效率，有经济、快速和可靠等特点。(5)超声加工超声加工v 把把微微细细磨磨料料随随超超声声加加工工工工具具一一起起以以一一定定静静压压力力加加在在工工件件上上，就就能能加加工工出出与与工工具具相相同同的的形形状状。超超声声工工具具使使工工件件表表面面的的磨磨料料以以相相当当大大的的冲冲击击力力连连续续冲冲击击，破破坏坏超超声声辐辐射射部部位位，使使材材料料破破碎碎而而达达到到去去除除材料的目的。材料的目的。v超超声声加加工工主主要要应应用用于于宝宝石石、玉玉器器、大大理理石石、玛玛瑙瑙、硬硬质质合合金金等等脆脆硬硬材材料料的的加加工工以以及及异异型型孔孔和和细细深深孔孔的的加加工工。此此外外，在在普普通通切切削削工工具具上上加加超超声声波波振振动动时，也可起到提高精度和效率的作用。时，也可起到提高精度和效率的作用。（6）超声减肥）超声减肥v利利用用超超声声波波的的空空化化效效应应和和微微机机械械振振动动，将将人人体体表表皮皮下下多多余余的的脂脂肪肪细细胞胞破破碎碎、乳乳化化后后排排出出体体外外，达达到到减减肥肥、塑塑形形的的目目的的。这这是是国国际际上上90年年代代发发展展起起来来的的一一项项新新技技术术。意意大大利利的的Zocchi首首次次将将超超声声去去脂脂用用于于临临床床，并并获获得得成成功功，为为整整形形、美美容容开开创创了了先先河河。近近10年年来来超超声声去去脂脂技技术在国内外得以迅速发展。术在国内外得以迅速发展。（7）超声育种）超声育种v对对植植物物种种子子进进行行适适当当频频率率和和强强度度的的超超声声波波照照射射，可可提提高高种种子子的的发发芽芽率率，降降低低霉霉烂烂率率，促促进进种种子子的的生生长长，提提高高植植物物生生长长速速度度。据据资资料料介介绍绍，超超声声波波可可使使某某些些植植物物种种子子生生长速度提高长速度提高23倍。倍。（8）电子血压计）电子血压计v利利用用压压电电换换能能器器接接收收血血管管的的压压力力，当当气气囊囊加加压压紧紧压压血血管管时时，因因外外加加压压力力高高于于血血管管舒舒张张压压力力，压压电电换换能能器器感感受受不不到到血血管管的的压压力力；而而当当气气囊囊逐逐渐渐泄泄气气，压压电电换换能能器器对对血血管管的的压压力力随随之之减减小小到到某某一一数数值值时时，二二者者的的压压力力达达到到平平衡衡，此此时时压压电电换换能能器器就就能能感感受受到到血血管管的的压压力力，该该压压力力即即为为心心脏脏的的收收缩缩压压，通通过过放放大大器器发发出出指指示示信信号号，给给出出血血压压值值。电电子子血血压压计计由由于于取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。取消了听诊器，可减轻医务人员的劳动强度。（9）遥测遥控）遥测遥控v在在有有毒毒、放放射射性性等等恶恶劣劣环环境境中中，人人们们不不能能接接近近工工作作，需需要要远远地地控控制制；电电视视机机，电电风风扇扇以以及及电电灯灯等等电电器器开开关关需需要要遥遥控控，都都可可装装上上压压电电超超声声换换能能器器，通通过过远远地地发发射射超超声声波波由由装装在在需需要要控控制制系系统统上上的的接接收收换换能能器器所所接接收收，把把声声信信号号转转变变成成电电信信号使开关动作。号使开关动作。(10)交通监测交通监测v现现代代交交通通，自自动动监监测测车车辆辆的的通通行行和和计计数数以以便便掌掌握握车车辆辆的的运运行情况是非常必要的。行情况是非常必要的。v如如交交通通监监理理站站安安装装一一个个收收发发兼兼用用的的超超声声换换能能器器及及其其附附属属设设备备，当当车车辆辆通通过过时时就就有有一一个个声声脉脉冲冲返返回回，通通过过计计数数累累计计可可得到日行车辆的数量。得到日行车辆的数量。v给给汽汽车车尾尾部部装装一一个个收收发发两两用用的的换换能能器器，可可防防止止倒倒车车相相撞撞事事故故发发生生。在在公公路路上上安安装装接接收收型型压压电电超超声声换换能能器器还还可可以以监监测测噪声指数。噪声指数。(11)测距测距v超超声声测测距距装装置置又又叫叫声声尺尺。它它是是通通过过收收发发两两用用的的换换能能器器，测测量量脉脉冲冲时时间间间间隔隔。目目前前的的声声尺尺可可测测10m以以内内的的距距离离，精精度度可达千分之几。可达千分之几。(12)检漏及气体流量检测检漏及气体流量检测v对对于于压压力力系系统统，在在泄泄漏漏处处，由由于于压压力力容容器器的的内内外外压压差差造造成成射射流流噪噪声声。这这种种噪噪声声频频谱谱极极宽宽。对对于于非非压压力力系系统统，可可在在密密闭闭系系统统内内安安放放一一个个超超声声源源，然然后后从从密密闭闭系系统统外外部部接接收收。一一般般未未泄泄漏漏时时测测到到的的信信号幅度极小或没有，在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。号幅度极小或没有，在泄漏处信号幅度有突然增大的趋势。v气气体体流流量量检检测测也也是是化化工工中中的的重重要要手手段段之之一一。流流量量检检测测目目前前有有多多种种方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。方法，如浮子流量计等。但超声法主要优点是不妨碍流体的流动。(13)机器人成像信息采集机器人成像信息采集v智智能能机机器器人人要要实实现现在在空空间间自自由由行行走走、辨辨认认物物体体等等功功能能，不不仅仅要要用用超超声声换换能能器器测测距距导导盲盲，而而且且要要成成像像辨辨识识。所所以以，需需要要小小型型的的超超声声换换能能器器阵阵，以以实实现现多多种种功功能能，这这方方面面将将成成为为一一项项重重要要的的研研究究课课题题，吸引着众多的科学家为之奋斗。吸引着众多的科学家为之奋斗。5.5 压电超声换能器的最新发展压电超声换能器的最新发展当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。当前发展方向为大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化。（1）大功率换能器）大功率换能器v 在在许许多多场场合合需需要要大大功功率率的的换换能能器器。在在大大功功率率换换能能器器领领域域，铌铌镁镁酸酸铅铅(PMN)陶陶瓷瓷是是有有发发展展前前途途的的材材料料。PMN的的优优点点是是在在中中度度的的电电场场中中就就可可以以产产生生大大的的应应变变，迟迟滞滞小小。但但电电致致伸伸缩缩效效应应是是非非线线性性的的，相相应应的的物物理理常常数数取取决决于于温温度度和和频频率率，且且需需直流偏压，这就需要研究如何处理这些问题。直流偏压，这就需要研究如何处理这些问题。v 在在工工业业液液体体处处理理中中使使用用的的高高强强度度超超声声波波需需特特殊殊的的大大功功率率换换能能器器，在在功功率率容容量量、效效率率、辐辐射射面面积积和和指指向向性性方方面面都都有有要要求求。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。大功率换能器有望在矿藏勘探和钻井上得到应用。（2）低压驱动换能器）低压驱动换能器v许许多多谐谐振振超超声声装装置置如如超超声声马马达达和和大大功功率率换换能能器器需需产产生生大大的的振振幅幅。锆锆钛钛酸酸铅铅(PZT)是是广广泛泛应应用用的的电电声声转转化化材材料料。在在20 kHz时时，PZT在在400kV/m的的电电场场中中，在在共共振振条条件件下下产产生生的的振振幅要达到微米级，需幅要达到微米级，需2000V的电压，的电压，5mm厚的压电陶瓷环。厚的压电陶瓷环。v在在某某些些情情况况下下(航航空空航航天天，便便携携式式装装置置)，使使用用高高压压是是一一种种缺缺陷陷。此此时时，大大振振幅幅的的超超声声频频率率必必须须用用低低压压驱驱动动。减减小小多多层层陶陶瓷瓷的的电电极极间间的的距距离离可可解解决决这这个个问问题题。因因为为当当场场强强一一定定时时，极间距越小，所需电压也越小。极间距越小，所需电压也越小。（3）高频换能器）高频换能器v频频率率大大于于1520MHz的的B超超在在医医疗疗上上的的应应用用已已有有十十几几年年了了，高高频频超超声声应应用用范范围围的的增增加加促促进进了了一一些些领领域域的的迅迅速速发发展展。目目前前已已经经制制成成高高达达100MHz以上的高频压电陶瓷振子。以上的高频压电陶瓷振子。v高高频频压压电电陶陶瓷瓷器器件件以以其其体体积积小小、质质量量轻轻、能能耗耗低低、无无需需调调整整等等优优点点被被广广泛泛用用于于电电视视机机、录录相相机机、自自动动化化电电子子装装置置、通通信信设设备备、复复印印机机、计计算算机机、语语音音合合成成器器和和遥遥控控器器等等电电子子整整机机中中。随随着着电电子子技技术术的的发发展展，需需要要越越来来越越大大。国国内内仅仅电电视视机机、遥遥控控器器、音音响响、计计算算机机等等电电子子设设备备年年应应用用量量约约10亿亿只只，而而国国内内仅仅有有极极少少数数几几家家生生产产13MHz以以下下器器件件，产产量量约约3亿亿只只，供供需需矛矛盾盾突突出出，尤尤其其是是13MHz以以上上的的器器件件基基木木上上依依靠进口，市场缺口非常大。靠进口，市场缺口非常大。v随随着着压压电电陶陶瓷瓷元元器器件件制制作作工工艺艺技技术术的的改改进进，谐谐振振频频率率及及特特性性的的不不断断提提高高，它它将将越越来来越越广广泛泛地地取取代代石石英英晶晶体体器器件件，其其应应用用量量将将以以每每年年5%10%的的速速度度递递增增。所所以以研研制制高高频频压压电电陶陶瓷瓷谐谐振振器器产产品品，具具有有极极大的推广应用前景，有良好的市场空间。大的推广应用前景，有良好的市场空间。（4）压电薄膜换能器）压电薄膜换能器v超超声声成成像像装装置置的的图图像像分分辨辨率率受受到到超超声声换换能能器器频频率率的的限限制制。因因此此，提提高高超超声声图图像像的的分分辨辨率率己己成成为为超超声声成成像像技技术术研研究究的的方方向向之之一一。压压电电薄薄膜膜制制成成的的换换能能器器具具有有良良好好的的脉脉冲冲响响应应，用用于于超超声声成成像像可可获获得得高分辨率的图像。高分辨率的图像。（5）换能器的微型化）换能器的微型化v装装置置的的微微型型化化离离不不开开动动力力元元件件的的微微型型化化，在在动动力力微微元元件件中中，压压电电超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。超声马达以其体积小、转速低、力矩大而受到重视。v压压电电超超声声换换能能器器是是压压电电微微马马达达的的核核心心部部件件。微微型型压压电电超超声声马马达达的的研研究究起起始始于于美美国国，1992年年麻麻省省理理工工学学院院的的Antia.M.Flynn等等人人研研制制出出薄薄膜膜式式微微型型压压电电超超声声马马达达。随随后后，日日本本T akeshi Morita等等成成功功地地研研制制了了PZT压压电电薄薄膜膜圆圆柱柱微微型型超超声声马马达达。但但微微型型压压电电超超声声马马达达的的设设计计和和制制作作要要求求十十分分苛苛刻刻，目目前前仍仍处处于于实实验验研研究究阶阶段段，离离工工业化还有一段距离。业化还有一段距离。（6）换能器的集成化）换能器的集成化v集集成成包包括括器器件件的的集集成成以以及及器器件件与与电电路路的的集集成成。电电磁磁变变压压器器体体积积大大，并并产产生生电电磁磁噪噪声声，而而用用压压电电变变压压器器则则无无此此缺缺点点。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。集成还有利于减小回路中的寄生电感和电容。5.6 结束语结束语v压压电电超超声声换换能能器器是是超超声声技技术术的的关关键键部部件件，其其应应用用日日趋趋广广泛泛。国国际际上上对对其其研研究究十十分分活活跃跃。近近年年来来，我我国国在在压压电电换换能能器器的的研研制制、应应用用和和开开发发方方面面越越来来越越重重视视，参参加加研研究究的的单单位位也也越越来来越越多多，并并且且取取得得了了一一定定的的成成绩绩，有有些些研研究究成成果果与与国国外外已已很很接接近近，甚甚至至处处于于先先进进水水平平。但但总总的的来来说说，与与发发达达国国家家的的差差距距仍仍较较大大，尤尤其其是是在在技技术术的的实实用用化化和和产产业业化化方方面面。因因此此我我们们应应根根据据市市场场需需求求，研研究究与与市市场场相相适适应应的的应应用用技技术术，使使其真正成为推动生产力发展的科技动力。其真正成为推动生产力发展的科技动力。