压电音叉及其应用.doc

第 2 8 卷 第 2 期2 0 0 6 年 4 月压 电 与 声 光P IEZO EL EC T EC T R ICS & A COU S TOO P T ICSVol . 28 No . 2Ap r . 2006文章编号 :100422474 (2006) 0220173203压电音叉及其应用范跃农1 ,邹炎2 ,万学华3 ,路尚伟4( 1 . 景德镇陶瓷学院 机电系 ,江西 景德镇 333001 ;2 . 景德镇市机械中等专科学校 ,江西 景德镇 333000 ;3 . 中国压电网 ,wa xe h 163 . co m ,浙江 嘉兴 314000 ; 4 . 山东沂光电子股份有限公司 ,山东 临沂 276017)摘 要 :介绍了压电音叉的基本结构和等效电路 ,详细描述了压电音叉的工作原理以及各种实际应用 ,并对实 际产品的选材及性能作了详细的介绍 。作者还根据自己的研究结果介绍了几种实用的和用作压电音叉换能元件的压电陶瓷材料的配方 。关键词 :压电 ;压电陶瓷 ;音叉 ;换能器 ;应用中图分类号 : TM282文献标识码 : APiezoelectric Tun ing Fork and Its Appl icat ionFA N Yue2nong1 , ZO U Yan2 , WA N Xue2hua3 ,L U Shang2wei4( 1 . Dep t . of Elect ro mecha nical , J i ngdezhen Cera mic Instit ut e , J ia ngxi , 333001 , Chi na ;2 . J i ngdezhen MechanicalSeco nda r y School ,J i ngdezhen 333000 ,Chi na ;3 . www . chi napiezo . co m , wa xe h 163 . co m , J iaxi n 314000 ,Chi na ;4 . Sha ndo ng Yi gua ng Elect ro nic Co . , L t d . , Li nyi 276017 , Chi na)Abstract : Thi s pap er i nt ro duce s t he ba sic st r uct ure and equivalent circuit of t he piezoelect ric t uning fo r k , de2 scribe s it s operating p rinciple and several applicatio n exa mple s , a s well a s ho w to choice t he matetial s fo r ma nuf ac2 t uring t he piezoelect ric t uning fo r k , a nd ho w to mea sure it s p erfo r ma nce s. The a ut ho r s al so give so me piezoelect ric cera mic material s fo r mula s fo r ma king t he piezoelect ric t uning fo r k acco r ding to t heir resea rching result s.Key words : piezoelect ricit y ; piezoelect ric cera mic s ; t uning fo r k ; t ra nsducer ; applicatio n压电音叉是利用金属音叉作振动体 ,用压电陶瓷作机电换能元件的音频振子 。近几年来 ,压电音 叉在通信 、导航遥控 、遥测 、仪器和仪表等各种电子设备中的应用日益扩大 。图 2 为图 1 所示音叉的等效线路 。图 1 所示音叉的谐振频率可象图 2 一样近似地作为一端固定 、另一端自由的悬臂进行处理 ( 假设压电陶瓷的形状足够小) ,此时频率为 2 1压电音叉的结构及其等效电路音叉是一种音频元件 ,压电音叉是指以金属材1 i tEf =( 1)22l3式中co s i co sh i = - 1 , 即i = 1 . 875 1 ; E 为金属的弹性模量 ; l 、t 分别为音叉的叉臂长和宽 ;为 音叉金属的电阻率 。用于振动体的金属应选机械品料作谐振子 ,以压电陶瓷换能器激励和拾取信号的一种复合元件 。图 1 为压电音叉的一般结构 。叉形 固体谐振子使用镍铬钛恒性合金制成的 。两块压电换能片分别直接粘贴在两个叉臂上 。换能器材料为 锆钛酸铅压电陶瓷 ,其中一片将电能转换为机械能 , 激励音叉振动 ,另一片将音叉振动产生的机械能转换成电信号输出 。质因数 Qm 值大和稳定性好的材料 ,即艾林瓦合金 。作为转换元件的压电陶瓷 , 最好使用耦合系数 k31大 ,且多数场合下介电常数T33 也大的材料 。图 2 压电音叉的等效电路图因为当 t/ l2 保持一定时 , 谐振频率是一 定的 , 因而振子也就有可能小型化 。现在用作电子手表振 动源的水晶振子 ,就是用音叉振动体和水晶组成的 , 其最大尺寸只有几毫米 。如果提高压电陶瓷材料的 稳定性 ,就有可能用压电陶瓷组合成压电音叉 。采用不同于音叉结构的机械振动系统的滤波器图 1 压电音叉的一般结构收稿日期 :2005208215作者简介 :范跃农 ( 19642) ,男 ,江西景德镇人 ,副教授 ,从事电子陶瓷材料及元器件研究 。压电音叉的适用频率 一般 为 100 8 000 Hz ,其频率精度很高 。如 382 . 5847 . 5 Hz 的音叉振荡 频率精度可达 0 . 1 Hz 。因为压电换能片的体积比振动体小得多 ,所以压电音叉的频率稳定性主要取决于振动体的材料 ,通常可达 1 10 - 5 / 。压电音 叉的机械品质因数 Qm 也很高 。与电磁激励音叉相比 ,压电音叉除具有上述优点外 ,还有体积小 ,质量轻 ,结构牢固 ,支撑方式简单等特点 。发的 ,在此基础上 ,通过应用独特的电极结构 ,减少电极间容量和电力结合影响 ,在实现小型化的同时 提高了敏感度 ,为了实现补偿调节电路 、增益调节电路和补偿温度特性调节电路的数码调节 ,将这些电路进行了集成化处理 。因此这个专用的集成电路减 少了外接零部件的个数 。另外 ,采用了多层金属镀 密封 ,使可靠性得到提高 。角速度传感器的工作原理是利用元件在振动陀 螺上产生的科里奥利力 , 质量为 m 的音叉臂 , 以振动速度为 v 在 x 方向振动时 , 如在 y 轴的周围导入角速度, 则在 z 轴的方向产生科里奥利力 Fc 。根 据这个原理 , 向驱动电源施加交流电 , 使 x 轴方向发生振动 , 因汽车的运行 , 在 y 轴的周围产生角速 度 , 音叉臂由于科里奥利力 , 便会在 z 轴方向发生弯曲 。这个弯曲所产 生的 电 压可 以通 过检 测 电极 测 出 。把该水晶音叉振荡器的电力轴反过来进行双片贴合 , 制成双压电晶片的形状 。这样就能充分保证 驱动电极和检测电极的面积 , 提高其敏感度 。同时 , 因电极配置相互对称 , 可抵消因输出/ 输入等在各电极间产生的容量耦合和电力结 合所 引起 的 信号 漏 泄 。对于下降和冲击 , 通过设法加强音叉臂的支持结构提高耐久性 , 来达到减小振动漏泄的影响 。驱 动电路 、角速度检测电路装在搭载了音叉集成电路基板的背面 , 为了从水晶音叉提高检测出信号 S / N (信号对杂音比) , 采用了差动增幅 。3 . 2 物位传感器由日本东和制电有限公司 、英国输力强集团等 研究的 V 型振动式物位传感器的工作原理是 : 利用 安装在振动杆顶端的压电晶体音叉元件产生振荡来进行检测 (专利技术) 。当物料堆积在传感器周围时 会造成振荡的衰减 。通过检测振荡的衰减情况 ,将衰减信号转换成继电器的输出信号 ,便可以知道物 料的位置 3 。特别是对于较细的物料 ,如速溶咖啡粉 、巧克力粉 、二氧化铁 、复印机炭粉等 ,根据所测量储罐尺寸不同和所测量物料的容积密度不同 ,该公 司共有 3 种类型的传感器供用户选择 。其中 VL 型适用于大型储罐或料仓 ,它可检测的物料密度要大 于 0 . 2 g/ cm 3 。该项专利技术产品的电性能包括 : 专利检测原理和传感器电极设计 、可消除传感器表2压电音叉的应用(1) 电子手表用音叉是用组分为 0 . 59 Pb Zr O3 20 . 33 Pb TiO3 20 . 06 ( Sb1/ 2 N b1/ 2 ) O3 20 . 02Bi2 O3 的 压电陶瓷制成的 。(2) 以 Pb ( Zn1/ 3 N b2/ 3 ) 0 . 30 ( Zr0 . 39 Ti0 . 31 ) O3 +0 . 03 %M nO2 为主成分的材料 ,其 kp 和 Qm 都较高 ,而且频率温度系数较小 ,是较为理想的音叉滤波器材料 1 。(3)Pb ( In1/ 2 N b1/ 2 ) x Zr y Ti z O3 三元系压电陶瓷材料的特点是频率温度稳定性 和经 时稳 定性 都 很好 ,适合做压电音叉换能元件用 。(4) Pb ( M n1/ 2 W1/ 2 ) x Zr y Ti z O3 三元系压电陶瓷 材料的特点则是耐压高 (破坏电压达 18 kV/ mm) ,kp 大 , Qm 大 , 频率温度稳定性和经时稳定性均好 ,适用于做音叉换能器用 2 。3压电音叉的应用3 . 1在传感器方面的应用汽车转弯过程的检测 ,以及汽车导航仪的自动 导航的精度的提高 ,都能防止车体的斜滑 ,这种汽车舒适性和安全性是由角速度传感器来确保的 。松下 电子株式会社 L CR 设备公司电阻器商务部门所生产的角速度传感器 ,使用了 18 . 5 mm 12 . 5 mm 10 mm 小型水晶音叉振荡器 。另外 ,使用了该种音 叉振荡器制作的汽车导航仪角速度传感器在控制车辆运行的安全稳定 、防止翻车起到了较好的作用 。 采用水晶压电音叉振荡器的小型汽车导航角速 度传 感 器 EW TS82 系 列 中 , 传 感 器 的 尺 寸 为18 . 5 mm 12 . 5 mm 10 mm ,零点漂移为 5/ s ,感度漂移也实现了 5 %以下的高精度 。目前规模 已达月产 25 万只 。而在此之前作为双压电晶片音第 2 期范跃农等 :压电音叉及其应用175另一组为检测器 ,用以将叉股振动转换成电压信号 。当叉股受阻时 ,振荡器停振 ,继电器输出开关信号 。 音叉式物位开关适用于各种料仓内固体物料 (米 、奶 粉 、糖 、盐 、洗衣粉 、染料 、石粉 、塑料颗粒等) 料位及各种容器内体液位 ( 水 、泥浆 、纸浆 、染料 、油类 、牛 奶 、酒类 、饮料等) 的定点报警及控制 4 。表 1 为音 叉式物位开关的主要技术参数 。钟表等显示时钟 。用晶振还可制成音叉式温度传感器 ,在测温仪表电路中使用 ,测量精度可达 0 . 5 % 。 表 2D T226 ,D T238 型振荡器的技术指标D T226D T238封装形式频 率/ k Hz频率误差 工作温度/ 激励电平 ( ma x)负载电容/ p F静电容 ( ma x) / p F变曲点温度/ 漏气率 ( ma x) / mL s - 1阻抗 ( max) / k32 . 76820 10 - 6- 1030 10 - 6+ 60标称信号波形( CL ) 813 . 5 12 . 5表 1音叉式物位开关的主要技术参数工作电源220 V 防爆型 ,24 V 1 V (DC)1 . 320输出信号一组常开 、常闭触点25 52 10 - 835触点容量220 V ( A C) ,2 . 5 A ;24 V 1 V (DC) ,3 A环境温度/ - 205550湿度90 %4结束语随着压电音叉材料的改进和加工水平的提高 ,振荡频率/ Hz85叉端振幅/ mm0 . 5叉股参数叉股阻尼停振时间/ s2压电音叉在高新技术 (传感器 、通信 、电脑 、精密控制等) 领域的应用将会极大地拓宽扩展 。参考文献 :叉股自由起振延迟时间/ s7工作压力/ M Pa0 . 25 (常压性) ;0 . 251 . 00 (耐压型)标准型- 20 + 60物料温度/ 分离型 (叉体)- 20120 1 电子陶瓷情报网 . 压电陶瓷应用 M . 山东 : 山东大学出版社 , 1985 .小林照生 ,大西雅雄 ,浦和贵他 . 电话机用压电音响部 品 J . 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