压电效应生活中的应用_压电效应的原理介绍

　　压电效应概要

　　压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

　　压电效应原理

　　压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。

　　压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

　　压电效应分类

　　正压电

　　是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

　　逆压电

　　是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

　　压电效应的应用

　　人们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷，利用它可以制作石英谐振器、陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器、拾音器、发声器、超声波发声器等器件，还可以作为电子打火机、煤气点火栓的电源。下面着重介绍家用电器中常用的几种压电器件。

　　1、家用电器中常用的压电器件

　　石英晶体谐振器

　　在石英晶体上加一交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变的电场，由于石英晶片具有固有的振动频率（称为石英晶体的谐振频率），因此，当外加交变电压的频率等于石英晶片的谐振频率时，这种振动就会突然增加，而在电路中反映出谐振特性，这种现象称为压电谐振效应。根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器，这种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定性，已经被应用于对讲机（型号有JA44等）、电子手表（型号有JU1等）、电视机（型号有JA22等）、电子仪器等产品中作压控振荡器使用。用石英谐振器来控制振荡频率的振荡器称为晶体振荡器，这种振荡器的频率稳定度可达到10-6数量级。

　　陶瓷滤波器、陷波器

　　陶瓷滤波器、陷波器一般由一个或多个压电陶瓷振子为主而组成，而压电振子实际上就是一块夹在两个电极之间的压电晶片。陶瓷滤波器、陷波器是对频率非常敏感的电路元件。它们的特点是：体积小、成本低、无调整和可靠性高等。

　　陶瓷滤波器、陷波器已应用于收录机（型号有465K系列、LT2W22—10.7MHz等）、电视机（型号有LTB615MHz滤波器、XT4.43M陷波器、声表面波滤波器等）等家电产品中

　　压电晶体拾音、发声器件

　　晶体话筒、电唱头等是拾音器件，它们是利用晶体的压电效应制作出来的。对于话筒，声波使话筒内的压电晶体振动，由于压电效应，表面上的两个电极便出现微弱的音频电压。对于晶体电唱头（又称晶体拾音器），当唱片转动时，唱片中的音纹起伏通过唱针传到唱头中的压电晶体，其电极便出现音频电压。即利用晶体的压电效应可以把音频信号变成音频电信号。

　　而晶体扬声器（晶体喇叭）和晶体耳机则是压电发声器件。它们是利用压电晶体的逆效应制作出来的，即把变化的电信号还原为晶体的机械振动，晶体再把这种振动传给一块金属薄片，发出声音。

　　2、常用压电器件的检测

　　蜂鸣片的检测

　　蜂鸣片是压电陶瓷片应用的一种器件。比较常见的是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结制成的压电陶瓷片（PZT），由于人耳对3kHz的音频信号最为敏感，所以生产时通常将蜂鸣片的谐振频率设计在3kHz左右。为了改善低频响应，一般采用双膜片结构。

　　用机械万用表检测压电陶瓷蜂鸣片好坏的方法是：将万用表拨至2.5V档，左手拇指与食指轻轻捏住蜂鸣片的两面，右手持两支表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放在蜂鸣片的表面，然后左手拇指与食指稍用力压紧一下，随即放松，蜂鸣片上就先后产生两个极性相反的电压信号，使指针向右摆→回零→向左摆→回零，摆幅约0.1V0.15V.若交换表笔位置后重新实验，指针摆动的顺序为：向左摆→回零→向右摆→回零。在压力相同的情况下，指针摆幅愈大，蜂鸣片的灵敏度愈高。若指针不动，说明蜂鸣片内部漏电或破损。

　　用数字电容表可以直接测量蜂鸣片的电容量，其电容量应在0.005μF0.02μF范围内

　　驻极体话筒的检测

　　驻极体话筒是常见电—声转换器件，它属于电容式话筒的一种。

　　用机械万用表检测驻极体话筒，选择R×100档，将黑表笔接话筒的正极，红表笔接负极，然后正对着话筒吹一口气，指针应作大幅度摆动。假如指针不动，可交换表笔重新试验。两种情况下，指针都不动，说明话筒已经损坏;若指针摆幅很小，说明话筒的灵敏度低。对于三端引线的话筒，应将黑表笔接正电源端，红表笔接输出端，地端可以悬空。

　　石英晶体的检测

　　对于石英晶体，分玻壳与金属壳两种封装形式。检查它的方法是：首先从外观看它有无断线或裂纹故障。若外观正常，则可用万用表R×1k档测量其引出端的电阻，正常情况下电阻为无穷大，否则说明石英晶体内部存在漏电或短路。也可以用数字万用表的电容档或数字电容表测其电容，正常情况下石英晶体应有一定的电容值。如电视机遥控器中石英晶体的电容为102pF数量级