压电超声换能器原理及研究进展.ppt

压电超声换能器 小组成员 黄瑞湖 李炜 徐华易 主要内容 压电超声换能器原理压电换能器应用压电换能器发展方向及研究进展 课题背景 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件 广泛应用于超声加工 超声清洗 超声探测 检测 监测 遥测 遥控 成像等 超声水压水雷 超声切割 超声探测 1 压电超声换能器原理 正压电效应 晶体受到某固定方向外力的作用时 在某两个表面上产生符号相反的电荷的现象逆压电效应 对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象 逆 电声信号压电方程 电声转换模型 压电方程 主要压电换能器材料 压电换能器材料 单晶 陶瓷 1 石英晶体2 铌酸锂3 罗谢尔盐4 磷酸二氢钾 1 钛酸钡陶瓷2 镐钛酸铅陶瓷3 偏铌酸铅陶瓷4 铌酸钾钠陶瓷5 钛酸铅陶瓷 压电超声换能器重要参数 机电耦合系数电能机械能转换效率系数介质损耗因子tan 有功功率与无功功率比值机械损耗因子tan M损耗机械能与介质存储机械能频率常数N机械频率与决定该频率的线性尺寸乘积N f0 h 2 压电超声换能器应用 压电超声换能器广泛应用于超声加工 超声清洗 超声探测 检测 监测 遥测 遥控 如 压电陶瓷变压器 超声马达 超声波清洗 超声焊接 超声加工 交通监测 机器人成像信息采集 超声马达 超声马达是把定子作为换能器 利用压电晶体的逆压电效应让马达定子处于超声频率振动 然后靠定子和转子间的摩擦力来传递能量带动转子转动 超声马达优点 超声马达体积小 力矩大 分辨率高 结构简单 直接驱动 无制动机构 无轴承机构 这些优点有益于装置的小型化 直流电动机原理图 主要是以一片底部环形定子 Stator 及一片环形转子 Rotor 组成 将超声波频率的震动转变成转动能量 将交流电加到定子底部的压电陶瓷部份 便会令定子产生0 001mm幅度 约30 000Hz高频而微细的震动 从而令定子顶部与转子接触的部份产生一种弯曲移动波弯曲移动 波产生的磨擦力 足以使转子产生转动 佳能超声换能马达相机 压电陶瓷变压器 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电压输出的 其输入部分用正弦电压信号驱动 通过逆压电效应使其产生振动 振动波通过输入和输出部分的机械耦合到输出部分 输出部分再通过正压电效应产生电荷 实现压电体的电能一机械能一电能的两次变换 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压 压电陶瓷变压器原理图 压电陶瓷变压器优点 与电磁变压器相比 这具有体积小 质量轻 功率密度高 效率高 耐击穿 耐高温 不怕燃烧 无电磁干扰和电磁噪声 且结构简单 便于制作 易批量生产 使用压电变压器液晶显示器 用压电陶瓷变压器制作液晶显示 CCFL 背光高压电源不仅克服了传统电磁变压器工作在高压状态下所存在的问题 而且能很好地适应电子设备小型化 轻型化 片式化的发展需要 3 压电换能器发展方向及研究进展 压电超声换能器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 以及开发新型压电超声材料 微型化 清华大学物理系声学研究室研发出了世界上最小的超声马达直径只有1mm 利用这种微型马达可以用来制备微型血管机器人 微型飞机等 新型压电材料 压电聚合物材