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无处不在的压电陶瓷
2018-04-21

1880年,居里兄弟发现了压电效应。经过100多年的发展,压电材料已经广泛应用于工业、医学、能源、交通、消费品和安全等各个领域。以下介绍一些常见的压电应用。

压电效应:材料变形产生电压

(变形严重夸大)

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工业应用:压电传感器

爆震传感器:引擎在错误环境下可能有爆震现象,汽油无法正常燃烧从而损坏引擎。这就是为什么过去很多生产商以牺牲效率为代价保守地设计引擎:避免爆震。但是压电传感器能够及时探测爆震,让控制系统调节点火时间。

动态压力变化测量也是各种压电传感器的用武之地,压电技术相比传统电机械压力传感器更可靠。另外,测深器和声纳设备也靠压电传感器发射和接收50到200 kHz的超声信号。除了理想的频率响应,压电换能器还能以小型封装发射高能声波。

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工业应用:压电驱动器

压电驱动器

压电元件外形和结构多种多样,压电堆栈将多个压电芯片堆叠粘合在一起,具有更大的驱动位移。压电双晶片可以弯曲,压电管同时提供径向和轴向两种位移。

压电驱动器广泛应用于比例调节阀、继电器、加速度传感器、光学调制器、减振降噪等要求快速和精密运动控制的场合。

柴油喷油嘴:近年来,柴油机标准越来越严格,而且用户要求降低噪声并提高马力和扭矩性能曲线。所以,在燃烧过程中必须精确地喷油。据博世公司称,压电驱动器相比标准喷油嘴螺旋管快5倍,而且运动无摩擦。压电喷油嘴的**优势是速度和精确,能够精密控制高压流量。

压电喷油嘴(博世BOSCH)

压电驱动器体积小、响应快,而且功耗低,是某些快速精密驱动应用的理想选择,比如光学调节:小至反射镜或光栅调节,大至望远镜的像差补偿,都有使用压电驱动器。下图所示为压电调节显微镜Z轴位移,分辨率可达2 nm。

超声清洗和焊接也是压电驱动器的两个重要工业应用。

压电马达:除了固有的精密性能,压电马达还能在低温或强磁场工作。比如Thorlabs的Elliptec压电马达,质量只有1.2 g,运动响应快且无回弹,除了驱动光学平移和旋转,还能定制人机接口,比如智能旋钮。

Elliptec马达(钥匙形状)

每秒可驱动10万次微小位移使物体快速连续运动

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消费电子产品

可能很多消费者并不知道,每通一次电话、印一份材料、听一首歌曲、看一下时间都可能有压电的应用。

麦克风通过声音使压电晶体振动产生电信号。唱片机使用针尖扫过螺旋凹槽时使压电晶体产生电信号,然后音箱再将电信号转换成声音。

相似地,压电扬声器应用于手机、耳机、音乐玩具和贺卡等。压电蜂鸣器能够发出更大但频率更窄的声音,用于报警、探测、条形码扫描、微波炉、电脑主板等等,数之不尽。

小米MIX扬声器原理

日常生活中,喷墨打印机、石英钟表、打火机、工业加湿器、电动牙刷、乐器拾音器等等也都有用到压电元件。压电甚至还能用于网球拍,比如海德Intellifibe技术:在拍框中集成压电纤维束,微控制器装在手柄中,通过压电位移调节增强球拍的抗震功能。

如果压电材料每次伸缩都能生电,那么无尽次数是否能大量发电?比如在路面下铺设一层压电材料,这样汽车或行人经过都能产生一点电能。这就是所谓的能量收集。下面的概念图描绘了如何用压电改装鞋子发电取暖或者为电子产品充电。

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