【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng) 力[8]。當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。故它是一種有源的雙向機(jī)電傳感器 [9]。壓電傳感元件是力敏元件，所以它能測(cè)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(yīng) 石英晶體是一種應(yīng)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(gè)晶軸： Z 軸又稱(chēng)光軸，它與晶體的縱軸線方向一致； X 軸又稱(chēng)電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸； Y 軸又稱(chēng)機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面 [10]。 (a) (b) (c) 圖 1 石英晶體 (a)外形、 (b)坐標(biāo)及 (c)切片 3 石英晶片受壓力或拉力時(shí)，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(guān)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(yīng) (a) 石英晶體 結(jié)構(gòu) ， (b) 石英晶體受壓， (c) 石英晶體受拉 石英晶體在機(jī)械力的作用下會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷可以解釋如下：石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，如圖 3(a)所示。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，所以外部沒(méi)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(jié)果在表面 A 上出現(xiàn)正電荷，而在其表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。如果所受的力為拉力時(shí)，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(shí)，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(shí)，電荷的極性與它相反。若沿 Z 軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱(chēng)的平移，故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)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(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無(wú)規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)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(yīng)。 當(dāng)在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，如圖 4 所示。 伸長(zhǎng)直流電橋剩余伸長(zhǎng) 剩余極化 (a) (b) (c) 圖 4 壓電陶瓷的極化過(guò)程 (a) 極化前， (b) 極化， (c) 極化后 對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)?Z 軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于 Z 軸的表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，見(jiàn) 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(shí)，在垂直于 Z 軸的上下平面上分別 出現(xiàn)正、負(fù)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(lèi)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(diǎn)和機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等，在精密測(cè)量系統(tǒng)和高溫測(cè)量系統(tǒng)中常被選用。缺點(diǎn)是壓電系數(shù)小、靈敏度低、價(jià)格貴。例如 石英 (二氧化硅 )是一種透明而又非常堅(jiān)硬的天然晶體，比起其它單晶材料，石英有很高的機(jī)械耐用性。它 的缺點(diǎn)是機(jī)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(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失 (這個(gè)高溫就是所謂的 “居里點(diǎn) ”)[10]。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小 (也就說(shuō)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(cè)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(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 選取合適的壓電材料是壓電式傳感器的關(guān)鍵 [12]，一般應(yīng)考慮以下主要特性進(jìn)行選擇： (1) 具有較大的壓電常數(shù)； (2) 壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)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(diǎn)。所謂居里點(diǎn)是指壓電性能破壞時(shí)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。居里點(diǎn)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(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。 壓電傳感器余振產(chǎn)生的原因 在超聲波檢測(cè)技術(shù)中，超聲檢測(cè)儀對(duì)壓電換能器施以高頻電脈沖 (電振蕩信號(hào) )，將激勵(lì)壓電陶瓷振子振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波 ,當(dāng)施加的電振蕩信號(hào)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(shí)間的振動(dòng)才能逐漸恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài) ,這種情況對(duì)超聲檢測(cè)是不利的，因?yàn)閷?shí)際檢測(cè)中要求壓電陶瓷振動(dòng)后能立即恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)以接收回波信號(hào)，或者迎接下一個(gè)激勵(lì)脈沖的到來(lái)，壓電陶瓷振子的繼續(xù)振蕩將阻塞回波信號(hào)的接收或下一個(gè)激勵(lì)脈沖的激發(fā)，結(jié)果降低 了分辨率，增大了檢測(cè)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(dǎo)致波形失真。 還有一個(gè)方面 ,就是壓電陶瓷振子在做縱向長(zhǎng)度振動(dòng)時(shí) ,是向前后兩個(gè)方向同時(shí)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(shí)就會(huì)造成干擾 ,所以也要通過(guò)阻尼材料來(lái)加以抑制。此外，還可能出現(xiàn)因?yàn)椴牧?、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(dāng)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(yīng)當(dāng)指出：加入阻尼物質(zhì)的效果固然能使脈沖變窄，提高檢測(cè)分辨率，減小檢測(cè)盲區(qū)，減少波形畸變。但這是以犧牲檢測(cè)靈敏度為 代價(jià)的，在設(shè)計(jì)制作探頭時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。 阻尼材料 阻尼是 材料在振動(dòng)過(guò)程中由于內(nèi)部原因引起機(jī)械振動(dòng)能消耗的現(xiàn)象 ， 是材料的一種功能特性。阻尼性能又可稱(chēng)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(gè)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(dòng)能量 ,縮短晶柱的振鈴 時(shí)間 (自由振蕩或所謂的 “余振 ”，“尾振 ”)，使晶柱被發(fā)射脈沖激勵(lì)后能很快停止下來(lái)，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(shù)脂； (2) 鎢粉 +二氧化鉛粉 (注意有毒 )+環(huán)氧樹(shù)脂； (3) 鎢粉 +聚硫橡膠粉 +環(huán)氧樹(shù)脂； (4) 二氧化鉛粉 (注意有毒 )+聚硫橡膠粉 +環(huán)氧樹(shù)脂； (5) 膠木粉 +環(huán)氧樹(shù)脂 (6) 環(huán)氧樹(shù)脂 +紅色氧化鉛粉 (注意有毒 )。 這些配方的實(shí)質(zhì)是散射微粒 (主要起散射質(zhì)點(diǎn)的作用 )+聲能吸收材料 (粘滯系數(shù)較大的材料，起到粘結(jié)、固定和聲吸收作用 )，此外， 作為制作工藝上的考慮 ,還適當(dāng)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(qiáng)，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(guān)。在這些組成中鎢粉、膠木粉主要起散射質(zhì)點(diǎn)的作用等，環(huán)氧樹(shù)脂起到粘結(jié)、固定和聲吸收作用，而二氧化鉛，橡膠粉等則綜合了散射質(zhì)點(diǎn)與聲吸收的作用。散射質(zhì)點(diǎn)的粒度一般要求越細(xì)越好，因?yàn)樯⑸滟|(zhì)點(diǎn)越小，聲波散射越均勻，散射聲波的路徑越長(zhǎng)越復(fù)雜，從而 有利于聲吸收，可以大大減少對(duì)晶柱的散射雜波干擾[15]。 2 壓電傳感器的設(shè)計(jì)與加工 壓電傳感器的結(jié)構(gòu) 本實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(diǎn)。鋯鈦酸鉛是 PbTiO3和 PbZr