【文章內容簡介】 在一定方向上產生機械變形或機械應 力[8]。當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。故它是一種有源的雙向機電傳感器 [9]。壓電傳感元件是力敏元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如：力、壓力、加速度、聲傳感器等。 石英晶體的壓電效應 石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。圖1 是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有三個晶軸： Z 軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致； X 軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸； Y 軸又稱機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面 [10]。 (a) (b) (c) 圖 1 石英晶體 (a)外形、 (b)坐標及 (c)切片 3 石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如圖 2 所示。 (a) (b) (c) (d) 圖 2 晶片受力方向與電荷極性的關系 (a) X 方向受壓， (b) X 方向受拉， (c) Y 方向受壓， (d) Y 方向受拉。 (a) (b) (c) 圖 3 石英晶體的壓電效應 (a) 石英晶體 結構 ， (b) 石英晶體受壓， (c) 石英晶體受拉 石英晶體在機械力的作用下會在其表面產生電荷可以解釋如下：石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，正負離子分布在正六邊形的頂角上，如圖 3(a)所示。當作用力為零時，正負電荷相互平衡，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。如果在X 軸方向施加壓力，如圖 3(b)所示，則氧離子擠入硅離子 2 和 6 間，而硅離子 4 擠入氧離子 3 和 5 之間，結果在表面 A 上出現(xiàn)正電荷，而在其表面上出現(xiàn)負電荷。如果所受的力為拉力時，在表面 A 和 B 上的電荷極性就與前面的情況正好相反。如果沿Y 軸方向施加壓力時，則在表面 A 和 B 上呈現(xiàn)的極性如圖 3(c)所示。施加拉力時，電荷的極性與它相反。若沿 Z 軸方向施加力的作用時，由于硅離子和氧離子是對稱的平移，故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產生壓電效應。 壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結構的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形 4 成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn) 中性，不具有壓電效應。 當在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進行極化處理，即以強電場使電疇規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強的剩余極化，如圖 4 所示。 伸長直流電橋剩余伸長 剩余極化 (a) (b) (c) 圖 4 壓電陶瓷的極化過程 (a) 極化前， (b) 極化， (c) 極化后 對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向為 Z 軸。當壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于 Z 軸的表面上將會出現(xiàn)電荷，見 圖 5(a)，其電荷量 q 與作用力 F 成正比，即 Q = dzzF (1) 式中， dzz 為縱向壓電系數(shù)。 + + + + + + + + + (a) (b) 圖 5 壓電陶瓷的壓電原理 (a) 壓電陶瓷在極化方向受壓， (b) 壓電陶瓷在非極化方向受壓 壓電陶瓷在受到如圖 5(b)所示的作用力 F 時，在垂直于 Z 軸的上下平面上分別 出現(xiàn)正、負電荷，即 Z Z X X Y Y 5 YXZXYXZY AAFdAAFdq ???? (2) 中， AX為極化面面積； AY為受力面面積。 壓電材料 壓電材料種類繁多，但傳感器用壓電材料主要有壓電晶體、壓電陶瓷和高分子材料三種。壓電晶體性能穩(wěn)定、居里點和機械強度高、絕緣性好、動態(tài)響應快、線性范圍寬、遲滯小等，在精密測量系統(tǒng)和高溫測量系統(tǒng)中常被選用。缺點是壓電系數(shù)小、靈敏度低、價格貴。例如 石英 (二氧化硅 )是一種透明而又非常堅硬的天然晶體，比起其它單晶材料，石英有很高的機械耐用性。它 的缺點是機電耦合系數(shù)較小，所以它的接收效果比壓電陶瓷差。壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失 (這個高溫就是所謂的 “居里點 ”)[10]。由于隨著應力的變化電場變化微小 (也就說壓電系數(shù)比較低 )，所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。壓電陶瓷是人造多晶體壓電材料，其壓電系數(shù)高，制造成本低，但性能不夠穩(wěn)定，在一般測量系統(tǒng)中廣泛采用 [11]。高分子壓電材料具有很高的壓電靈敏度，可以制成大面積的壓電薄膜或陣列元件。例如酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏 度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。 選取合適的壓電材料是壓電式傳感器的關鍵 [12]，一般應考慮以下主要特性進行選擇： (1) 具有較大的壓電常數(shù)； (2) 壓電元件的機械強度高、剛度大并具有較高的固有振動頻率； (3) 具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響； (4) 具有較高的居里點。所謂居里點是指壓電性能破壞時的溫度轉變點。居里點高可以得到較寬的工作溫度范圍； (5) 壓電材料的壓電特性隨時間蛻變，有較好的時間穩(wěn)定性。 壓電傳感器余振產生的原因 在超聲波檢測技術中，超聲檢測儀對壓電換能器施以高頻電脈沖 (電振蕩信號 )，將激勵壓電陶瓷振子振動而產生超聲波 ,當施加的電振蕩信號停止后，由于壓電陶瓷 6 振子存在的慣性作用，壓電陶瓷振子還要維持一段時間的振動才能逐漸恢復靜止狀態(tài) ,這種情況對超聲檢測是不利的，因為實際檢測中要求壓電陶瓷振動后能立即恢復靜止狀態(tài)以接收回波信號，或者迎接下一個激勵脈沖的到來，壓電陶瓷振子的繼續(xù)振蕩將阻塞回波信號的接收或下一個激勵脈沖的激發(fā)，結果降低 了分辨率，增大了檢測盲區(qū)。在接收狀態(tài)下，壓電陶瓷振子的這種繼續(xù)振蕩也將導致波形失真。 還有一個方面 ,就是壓電陶瓷振子在做縱向長度振動時 ,是向前后兩個方向同時發(fā)射超聲波能量的，向前發(fā)射是我們所需要的，而向后發(fā)射的聲能被背襯支承物反射回到壓電陶瓷振子時就會造成干擾 ,所以也要通過阻尼材料來加以抑制。此外，還可能出現(xiàn)因為材料、耦合劑等引起的波的干涉造成干擾 ,影響超聲脈沖的形狀等等 [13]。 要克服和改善這些缺欠，主要是在壓電傳感器中加入阻尼材料。當阻尼材料的聲阻抗等于壓電陶瓷振子的聲阻抗，并且其超聲衰減系數(shù)越大 ,則 效果最好 [8]。應當指出：加入阻尼物質的效果固然能使脈沖變窄，提高檢測分辨率，減小檢測盲區(qū)，減少波形畸變。但這是以犧牲檢測靈敏度為 代價的，在設計制作探頭時要根據(jù)實際情況綜合考慮。 阻尼材料 阻尼是 材料在振動過程中由于內部原因引起機械振動能消耗的現(xiàn)象 ， 是材料的一種功能特性。阻尼性能又可稱之為減振性能。 壓電傳感器添加的阻尼材料主要有以下三個方面的功能： (1) 作為支持 (支承 )晶柱的背襯材料； (2) 吸收壓電陶瓷向背面發(fā)射的聲波和抑制雜波； (3) 吸收 (阻尼 )晶柱的振動能量 ,縮短晶柱的振鈴 時間 (自由振蕩或所謂的 “余振 ”，“尾振 ”)，使晶柱被發(fā)射脈沖激勵后能很快停止下來，以保證波形不失真和分辨率的要求。 阻尼材料的成分組成主要有以下幾種方式： (1) 環(huán)氧樹脂； (2) 鎢粉 +二氧化鉛粉 (注意有毒 )+環(huán)氧樹脂； (3) 鎢粉 +聚硫橡膠粉 +環(huán)氧樹脂； (4) 二氧化鉛粉 (注意有毒 )+聚硫橡膠粉 +環(huán)氧樹脂； (5) 膠木粉 +環(huán)氧樹脂 (6) 環(huán)氧樹脂 +紅色氧化鉛粉 (注意有毒 )。 這些配方的實質是散射微粒 (主要起散射質點的作用 )+聲能吸收材料 (粘滯系數(shù)較大的材料，起到粘結、固定和聲吸收作用 )，此外， 作為制作工藝上的考慮 ,還適當加入增塑劑 (如鄰苯二甲酸二丁酯 )和固化劑 (如乙二胺，二乙烯三胺 )。阻尼材料的密度越大，聲衰減越大 [14]，阻尼吸收作用越強，阻尼材料的聲阻抗越接近晶柱的聲阻抗則 7 透聲率越好，從而可以起到良好的吸收作用。阻尼材料整體的聲阻抗則與聲速、密度及固化程度等有關。在這些組成中鎢粉、膠木粉主要起散射質點的作用等，環(huán)氧樹脂起到粘結、固定和聲吸收作用，而二氧化鉛，橡膠粉等則綜合了散射質點與聲吸收的作用。散射質點的粒度一般要求越細越好，因為散射質點越小，聲波散射越均勻，散射聲波的路徑越長越復雜，從而 有利于聲吸收，可以大大減少對晶柱的散射雜波干擾[15]。 2 壓電傳感器的設計與加工 壓電傳感器的結構 本實驗所制作的壓電傳感器使用的壓電材料是鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 (PZT)。壓電陶瓷是一種應用最普遍的壓電材料，它具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點。鋯鈦酸鉛是 PbTiO3和 PbZr