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1、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 进展第1页/共19页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、成像等第2页/共19页超声水压水雷超声切割超声探测第3页/共19页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 第4页/共19页逆第5页/共19页电声信号压电方程电声转换模型压电方程第6页/共19页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
2、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、钛酸铅陶瓷第7页/共19页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tanM 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第8页/共19页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。第9页/共19页超声马达 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
3、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第10页/共19页超声马达优点 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。直流电动机原理图第11页/共19页 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第12页/共19页压电陶瓷
4、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第13页/共19页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。第14页/共19页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
5、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、片式化的发展需要第15页/共19页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第16页/共19页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、微型飞机等第17页/共19页新型压电材料 压电聚合物材料 一些聚合物当电流通过时会像肌肉般收缩。而且，当对它加上振动或者弯曲它时就会产生电流。美国已采用其制备出人工肌肉，同时还可用来制备人造神经。第18页/共19页谢谢您的观看！第19页/共19页