考虑损耗的压电陶瓷常用振动模的等效电路(Ⅱ)——电场平行于传播方向的几种常用振动模

压电陶瓷的电场平行于波的传播方向的三种常用振动模如图1所示.由相应的压电方程,采用与文章相似的方法可得到它们的等效图,如图2所示.由于篇幅所限推导过程和图2中各元件的表达式从略. 自由振动时的等效电路图可简化成图3.图中各元件值,对电场平行于传播方向的厚度剪切片为:     

一种非均匀厚度压电复合材料片宽带换能器的实验研究

本文利用１－３压电复合材料作为换能元件，通过特殊工艺制备成一面是平面，一面是球面的非均匀厚度压电振子，这种压电晶片加上激励电压后，不同厚度处以不同的共振频率振动，从而使压电晶片的振动频带加宽，本文介绍了这种压电晶片的机电特性，以及用这种压电晶片制成的宽带聚焦超声换能器的脉冲回波特性，此外，文中还对这种换能器与均匀厚度压电晶片换能器的脉冲回波特性进行了比较。     

单面接线的厚度模压电换能器

常规的厚度模压电陶瓷换能器需要在压电陶瓷片的两个大面上接线.但是前表面的接线对于小换能器(直径小于1mm)和阵列换能器不利.两面接线还不便于批量生产,也不便于和匹配层的耦合.D.E.Laughlin等人1985年曾制作了如图1所示的小换能器.这种换能器的背电极分割成两半,分别连接电源的两极.前表面的电极不连线,与常规换能器不同,这种换能器工作时压电片的两半作反相振动,一半伸张时,另一半压缩;一半压缩时,另一半伸张.实测表明,这种换能器的声场由两个独立的声束组成(图2).     

信息时代的多面手——压电效应

 轻轻一揿煤气灶按钮,蓝色火焰迅即燃起;轻轻一按电视遥控器,精彩节目任您挑选。这就是压电效应带给您的便利。所谓压电效应,是指某些各向异性的晶体,在外力作用下产生机械形变(如压缩或伸长),从而在加压面或拉力面的两侧出现异号束缚电荷,这种现象称为正压电效应。反之,在晶体的两侧面加一交变电压,晶体就会发生厚薄的机械变化,这叫做逆压电效应。这两种效应统称为压电效应。压电效应是居里兄弟(JacquesCurie、PirreCurie)于1880年首先在α-石英晶体上发现的。除了石英这种天然压电晶体外,还可以人工合成具有压电性能的多晶体材料,即通常所说的压电陶瓷。     

向空气中辐射超声波的环形压电换能器

超声压电换能器向空气中辐射超声波的主要缺点是效率低,这是由于压电材料的声阻抗与空气的声阻抗严重失配(差5个数量级)。有两种途径可提高换能器向空气中辐射声波的效率,一是采用多层结构的匹配技术,二是设计高、低声阻抗材料相组合的换能器。作者遵循后一种方法设计并制作了一种新的高效压电换能器。它是将压电圆环埋置在低阻抗的弹性材料(塑料或树脂)中而成的,如图1所示。     

随钻声波测井圆弧状压电阵子的有限元分析*

圆弧状压电阵子是随钻声波测井仪发射换能器的核心部件。利用有限元法对圆弧状压电阵子进行了设计分析,结果表明20 kHz以下频率范围内主要存在弯曲振动模态及径向振动模态,且径向振动模态能够满足随钻声波单极测量模式的工作频率要求。针对径向振动模态,数值模拟了几何尺寸对压电阵子声学性能参数的影响。圆弧状压电阵子的谐振频率随着陶瓷片厚度的增大而升高;随着陶瓷片高度、半径及张开角的增大而降低。圆弧状压电阵子的最大发射电压级幅值随着陶瓷片厚度、张开角的增大而降低;随着半径的增大而升高;随着陶瓷片高度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。以外径为6.75 in的钻铤为例,最优化设计了圆弧状压电阵子的尺寸,使其满足钻铤模式波隔声阻带中心频率的要求,同时保证了压电阵子具有最大发射电压级。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪发射换能器设计起到良好的指导作用。     

压电陶瓷元件在物理演示实验中的应用

压电陶瓷元件是一种电声元件,它既有效果良好的压电效应,也有显著的逆压电效应,即电致伸缩效应。此外,压电陶瓷元件还具有价格低廉、外形轻而薄、功耗低、耐高压等优点。因此,利用实验室常备的慢扫描示波器,低频信号发生器,各种频率的音叉及共鸣箱、扩音机,配上几片压电陶瓷元件就可以演示电学、振动与波等物理内容。常用的压电陶瓷元件的型号、尺寸及简单构造分别列在下表和图1(a)中     

悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获的随机共振机理研究

研究了利用系统非线性来提高悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获效率的随机共振机理,通过增加一对矩形永磁铁对传统线性悬臂梁压电振子结构进行了改进,结果揭示:在外部非线性磁力作用以及合适的磁铁间距条件下,这种外加磁力悬臂梁压电振子会构成一个双稳系统,在外部宽带低频随机振动源激励下发生随机共振现象,且发生随机共振时的输出电压明显增大,从而可以扩展悬臂梁压电振子的共振频率范围、提高低频振动能量的转化输出. 关键词： 压电悬臂粱 振动能量俘获 宽带低频 随机共振     

塞贝克效应与温差发电

 将两种半导体的一端结合在一起并使之处于高温状态(热端),而另一端开路且处于低温状态(冷端),则在冷端(T1)存在开路电压ΔV,这个效应称塞贝克效应。如图1所示。塞贝克电压ΔV与热冷两端的温度差ΔT成正比,即ΔV=αSΔT=αSΔ(T2-T1)(1)图1塞贝克效应其中αS称为塞贝克系数,其单位是V/K或μV/K。塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定的。     

测量电感的一种简便线路和实验方法

前言通常测量线圈的电感量多用交流电桥方法.据了解有些大、专学校及中学里,因实验教学仪器短缺,未能开出该题目.我认为也可用三表法(电流表、电压表和功率表)、谐振法及电压电流等方法来测量.我来介绍后一种方法,电路如图1(a)、(b)所示.这种方法虽较简便,若使用不当,其电感测量的误差也会增大.本文就用这种方法测电感量与如何减小误差这个问题提出一些看法,仅供读者参考.原理和方法     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

两体弹性相互作用的一种等效方法

对于一端固定的无质量弹簧的振动系统(图1),通过解振动系统的运动微分方程,可以得到其振动的周期为其中m为物体的质量 k为弹簧的弹性系数 如果弹簧的另一端为自由端,即连接在另一质量为有限的物体上(图2),则通过解系统的微分方程可知,这样一个系统可以等效成图1的形式,只是这时物体的质量为两物体的折合质量,即 这是一般教科书上介绍解这类问题时的一种普遍等效方法,这种等效方法对于了解m1与m2组成的整体系统的一些性质(如系统的振动周期,频率等)是有效的.但是,如果需要考察单个物体m1(或m2)的运动,这种等效方法就变得很不方便了. 本文介绍…     

场致发光器件工作电路的改进

过去用半导体开关元件控制场致发光的方法如图1所示。图中显示器是场致发光器件,用从发生器来的交流电压激发。发生器的一头和显示器直接相联,另一头则通过一个串联电路(用直流电源供电)与显示器相联。串联电路中有一个开关晶体管,两个半导体开关元件的阳极一阴极     

交联聚丙烯压电驻极体的压电性能及振动能量采集研究

以电子束辐照交联聚丙烯(IXPP)泡沫薄板为原材料, 首先利用热压工艺对微观结构进行改性, 然后采用电晕充电方法对样品实施极化处理, 使之具有压电效应, 成为压电驻极体. 通过准静态和动态压电系数d₃₃、复电容谱, 以及等温衰减的测量, 研究了IXPP压电驻极体膜的机电耦合性能; 同时考察了基于IXPP压电驻极体膜的振动能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获. 结果表明, IXPP压电驻极体的准静态压电系数d₃₃可高达620 pC/N; 厚度方向的杨氏模量和品质因数(FOM, d₃₃·g₃₃)分别是0.7 MPa和11.2 GPa^-1; 在50, 70和90℃下进行等温老化, 经过24 h后, IXPP压电驻极体膜的准静态压电系数d₃₃分别降低到初始值的54%, 43%和29%; 采用面积为3.14 cm²的IXPP压电驻极体膜为换能元件, 当振子质量为25.6 g, 振动频率为820 Hz时, 振动能量采集器在匹配负载附近可以输出高达65 μW/g²的功率.     

压电陶瓷大元件的一种极化方法

超声、水声等领域中,经常需要较大尺寸的发射型压电陶瓷元件(如外径100毫米以上、壁厚8毫米左右、高度50毫米左右的圆管).在制备时,以往一直存在成品率不高、机电性能较低、一致性差等问题.本文从极化工艺考虑,提出降温升(电)压的具体方法,取得了一定的效果.陶瓷元件加上电压之后,在降温升压过程中,使所加的电场与矫顽场之差保持不变,即:ΔE=E-Ec,E为所加的电场,Ec为矫顽场,使ΔE在降温过程中保持常数.我们将这种方法称为等(电)压差极化法.对于一定的材料,只要选择合适的ΔE,就能使压电陶瓷在极化过程中既不易击穿,又能得到充分极化.     

再谈高考难题破解之法——顺水推舟

在一个学年的高三物理教学中,笔者让学生反复运用顺水推舟法来分析、破解综合性高难度的大题,十分有效. [例1](2010年江苏高考理综卷第15题) 制备纳米薄膜装置的工作电极可简化为真空中间距为d的两平行极板,如图1(a)所示.加在极板A、B间的电压UAB作周期性变化,其正向电压为U0,反向电压为-kU0(k>1).电压变化的周期为2τ,如图1(b)所示.在t=0时,极板B附近的一个电子,质量为m、电荷量为e,受电场作用由静止开始运动.若整个运动过程中,电子未碰到极板A,且不考虑重力作用.     

新学说:磁场空间分布的新概念

 在磁场空间分布的传统概念中,认为一条棒状磁铁的两端磁性最强,称为磁极,如果把棒状磁铁悬挂起来自由转动,磁棒指北的一端称为北极(N极),指南的一端称为南极(S极),棒状磁铁的中部几乎无磁性,棒状磁铁周围磁场的分布是空间位置的函数,磁场由S极向着N极方向,如图1(a)所示.地球象一条形磁铁,也有S极和N极,地球外部磁场的空间分布如图1(b)所示.     

利用光干涉法测试并研究压电陶瓷材料的逆压电系数

在迈克尔孙干涉仪基础上制成的弱振动测试设备能够很好地完成对１０＾－６ｍ量级幅度的正弦微振动的测量。利用该套装置对压电陶瓷材料在不同频率正弦电压下的振动幅度进行了测量,求出了压电陶瓷片逆压电系数的幅频关系。     

聚丙烯压电驻极体膜的压电和声学性能研究

以多孔聚丙烯(PP)膜为原材料, 通过压缩气体膨化工艺和电晕极化方法成功制备出PP压电驻极体膜, 并研究了该功能膜的压电和声学性能. 结果表明PP压电驻极体膜厚度方向和横向的杨氏模量分别为1.4和480 MPa, 因此压电系数d₃₃比d₃₁和d₃₂高2个量级以上, d₃₃是该类压电膜压电效应的主要性能指标, 而 d₃₁和d₃₂可以忽略不计. PP压电驻极体膜的准静态压电系数d₃₃在15-35 kPa的压强范围内具有良好的线性度. 在2-300 Hz的测试频率范围内, 300 Hz 下的d₃₃是2 Hz下的81%, 这主要是由PP膜的杨氏模量随频率增大而增强引起的. 在100 Hz-100 kHz 的音频和超声波频率范围内, PP压电驻极体膜具有平坦的频响曲线; 在1 kHz下其开路电压灵敏度和压电系数d₃₃分别为0.85 mV/Pa和164 pC/N. 关键词： 聚丙烯压电驻极体 压电效应 声学性能     

几种传感器的应用举例

传感器是把非电物理量(如位移、加速度、压力、温度、流量、声强、光照度等)转换成电学量(如电压、电流等)的一种元件．传感器输人的是非电物理量X，输出的是电学量Y，如图1所示．将非电物理量转换成电学量之后，测量比较方便，能够用于电路控制，而且能输入电子计算机进行处理．