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压电陶瓷片的工作原理和性能参数

时间:2017-03-15|栏目:电子元器件|点击:

    压电陶瓷片电子爱好者使用最为普遍的一种能够逆向换能的电声器件,它既可用作发声器(“电一声”转换),又能用作声音检拾器(“声一电”转换),还可作为力敏传感器等,其特点是结构简单、超薄型(一般厚度小于1mm)、功耗低、灵敏度高、可逆向转换信号、耐高压(即使两端施加100V电压也安然无恙)、不易损坏、价格便宜、使用方便。
    压电陶瓷片用途非常广泛,其派生产品种类较多,功能不一,品种五花八门!熟悉和掌握压电陶瓷片的特性、参数和识别方法等,是很有必要的。

    结构及特点
    压电陶瓷片是用一种叫做锆(gao)钛酸铅或铌(ni)镁酸铅的特殊人工合成陶瓷材料制造的。常见的压电陶瓷片大多做成图23-1所示的很薄的圆片,它的一面烧结在具有良好弹性的圆形薄黄铜(或不锈钢)基片上,另一面镀上一层薄银。金属基片和镀银层即为压电陶瓷片的两个电极。
压电陶瓷片结构图
    压电陶瓷片的基本特性是具有“压电效应”,即:压电陶瓷片在受到来自垂直方向的外来压力时,随着片子的弯曲变形(几何形状发生改变),在其两电极面会产生电压,并且电压大小与压力变化成正比。利用这个特性,可以将压电陶瓷片作为压力变化(或振动波)传感器,通过电子电路对某处受力情况的瞬时改变进行监控等,这在实践中是很有用的。相反,如果在压电陶瓷片的两个电极面加上直流电压时,片子就会产生相应的机械变形(即“逆压电效应”)。改变所加电压的极性和大小,片子形变的方向和强度也随之改变。可想而知,如果加在压电陶瓷片上的是交变或脉冲电压,片子就会随之产生振动。当外加电压频率与陶瓷片固有的谐振频率相同时,所产生的振动最为强烈。常见的压电陶瓷片谐振频率为2.2 - 20kHz,在电路中常将它们作为“电一声”换能元件,用于对发音质量要求不是很高的电路中,人们喜爱的音乐贺卡就是用压电陶瓷片发声的。某些谐振频率较高的压电陶瓷片,还可用作超声波换能器等。
    大家知道,声音是依靠空气的振动来传播的,当我们对着压电陶瓷片说话时,声波的压力便会为压电陶瓷片所感受,就会被转换为相应的电压变化,以微弱的电能形式输出。这样,我们就可以将压电陶瓷片作为“声一电”换能元件,用在声音检拾、声控等电路中。
    压电陶瓷片结构简单,换能效率高,占用空间小,安装使用都很方便。,由于构成压电陶瓷片的陶瓷材料直流电阻非常大,可视为绝缘体,这样陶瓷片两面的银层和金属片无形中便构成了电容器的两个极板,并且面积越大,电容量也越大。所以,压电陶瓷片呈电容特性,其电容量为4000pF ~ 0.05pF。

    外形和种类
    常用压电陶瓷片的外形几乎全部是圆薄片形状,其金属基片材料主要有弹性良好的黄铜片和不锈钢片两种,金属基片直径有Φ12mm、Φ16mm、Φ20mm、Φ27mm、Φ30mm、Φ35mm、Φ41mm、Φ50mm、Φ56mm……多种。大多数压电陶瓷片只有图23-2 (a)所示的两个电极(即镀银面和金属基片),但某些压电陶瓷片的镀银面被分割成 图23-2( b)所示的一大一小两部分,形成主电极和副电极(也称反馈极),加上金属基片电极,就成为三电极压电陶瓷片(也称“三端压电陶瓷片”)。这种特殊的三电极压电陶瓷片,是专门配合具有反馈接线的振荡器电路设计生产的,在成品压电陶瓷蜂鸣器中得到广泛应用。
    常见的压电陶瓷片厂家大多都配带有简易的塑料或金属助声腔盖(也叫共振腔盖或共鸣腔盖),如图23-2( c)所示,其作用是在压电陶瓷片与助声腔盖之间形成一个共鸣腔,显著增大压电陶瓷片的发声音量或改善检拾声波信号的灵敏度。实际上各种电子产品中使用的压电陶瓷片,大多数都离不开这种简易助声腔盖。
压电陶瓷片实物外形图

    参数与型号
    表征压电陶瓷片各项性能指标的参数主要有谐振频率f0、谐振电阻月。、电容量C等,另外还有反映外部尺寸大小的金属片直径D、陶瓷片直径d和总厚度7.等。一般D越大,则压电陶瓷片的低频特性越好。阻抗与d/D的比值有关,该值越小,则阻抗越高。表23-1列出了部分国产压电陶瓷片的主要参数,仅供参考。
表23-1  部分国产压电陶瓷片的性能参数
型号 性能参数 尺寸 基片
材料
谐振频率
fo(kHz)
谐振电阻
Ro(Ω)
电容量C(Pf) 金属片直径
D(mm)
陶瓷片直
径d(mm)
总厚度T(mm)
 FT-10-20AT  20土1.5 ≤500 1000土20yo  10土0.3   7土0.3 0.25士 0.08 黄铜
 FT-16-10AT  10土1.2 ≤500 4000土20%  16土0.3  12土0.3 0.25 士0.08 黄铜
FT-20-6.6AT 6.6土1.0 ≤200 10000土30%  20土0.3 14.7土0.3 0.45 士 0.12 黄铜
FT-20-6.6BT 6.6土1.0 ≤200 8000土30%  20土0.3 14.7土0.3 0.45 士 0.12 黄铜
FT-27-4.OAT 4.0土0.6 ≤150 20000土30%  27土0.3 20.1 土0.3 0.54 士 0.12 黄铜
FT-27-4. 1 BT 4.1 土 0.7 ≤200 14000土30%  27土0.3 20.1 土0.3 0.54 士 0.12 黄铜
FT-35-2.6AT 2.6土0.5 ≤150 30000土30% 35土0.3 24.8 土 0.4 0.54士0.12 黄铜
FT-35-2.6BT 2.6土 0.5 ≤200 30000土30% 35土0.3 24.8 土 0.4 0.54 士 0.12 黄铜
FT-41 -2.2AT 2.2土0.4 ≤200 50000土30% 41土0.3  35土0.4 0.54士0.12 黄铜
FT-10-21AG 21土1 .5   ≤500 1000土20%  10土0.3   7土0.3 0.25 士 0.08 不锈钢
FT-20-7.OAG  7土1.0 ≤200 10000土30% 20土0.3 14.7土0.3 0.45士0.12 不锈钢
FT-20-7.OBG  7土1.0 ≤200  8000土30% 20土0.3 14.7土0.3 0.45士0.12 不锈钢
FT-27-4.3AG 4.3土0.6 ≤150 20000土30% 27土0.3 20.1 土 0.3 0.45士0.12 不锈钢
FT-27-4.1BG 4.1土 0.7 ≤200 14000土30% 27土0.3 20.1 土0.3 0.45 士 0.12 不锈钢
FT-32-4.5AG 4.5土0.6 ≤200 20000土30% 32土0.3 20.1 土0.2  1.2 士 0.12 不锈钢
FT-35-2.9AG 2.9土0.5 ≤150 30000土30% 35土0.3 24.8土0.4 0.45 士 0.12 不锈钢
FT-35-2.9BG 2.9土 0.5 ≤200 30000土30% 35土0.3 24.8土0.4 0.45 士 0.12 不锈钢
 HTD20A-1 6 ≤150    <20000 20 14 0.4 黄铜
 HTD27A-1 4.5 ≤150    <30000 27 20 0.55 黄铜
 HTD35A-1 2.9 ≤150    <40000 35 25 0.55 黄铜
    国产FT系列压电陶瓷片的型号命名格式和含义如图23—3所示。其字母“FT”表示压电陶瓷片,后面的第一个空格位置是一组数字,表示压电陶瓷片的直径,单位是mm;第二个空格位置也是一组数字,表示压电陶瓷片的谐振频率fo,单位是kHz;第三个空格位置是字母“A”或“B”,主要区分同一型号中谐振电阻Ro或电容量C等参数的不同;最后面的空格位置用字母区别压电陶瓷片金属基片材料,其中“T”代表黄铜片, “G”代表不锈钢片。显然,使用者通过型号就能够直接掌握到压电陶瓷片的直径大小、谐振频率、基板材料等主要特征参数。但许多场合往往省略掉型号格式后面3个空格位置的内容,将型号简化为“FT-口”格式,如FT-27、FT-35等。这时,通过型号就仅能获知压电陶瓷片的直径大小这一项参数了。
国产压电陶瓷片的命名规则
    另外,早期国产的压电陶瓷片还采用了“HTD口口一口”格式命名型号,常见型号有HTD20A-1、HTD27A-1、HTD35A-1等,其中的字母“HTD”表示“压电陶瓷片”,数字“20”、“27”和“35”分别表示压电陶瓷片的直径,单位是mm。

    电路符号
    普通压电陶瓷片在电路图中的表示符号见图23-4左边,即在一个方形线框(表示陶瓷片)的对应两侧画出两条平行线,表示呈现电容特性的两个电极;在平行线的中点位置各画出两根垂直线,作为元件的电极引线。如果是三电极的压电陶瓷片,其图形符号如法炮制,采用图23-4右边所示的符号表示。注意表示压电陶瓷片镀银层的主、副电极画在同一侧,并且主电极较长、副电极稍短。
压电陶瓷片的电路符号
    图形符号的旁边注明文字符号“B”(或BC)以及元件的型号。若电路图中有多个相同的文字符号出现时,按常规就在文字符号后面或右下角标出自然数字,以示区别,如B1、B2.....

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