分析压电陶瓷换能器的工作原理

压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子表、电子仪器、电子钟表、定时器等方面。

晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率， 是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。（YXC扬兴晶振）

压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。 压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

1、压电陶瓷属于电容性负载，集振荡与发声为一体的器件。它的基板是金属铜片，厚度会影响陶瓷片振动的强度：【薄一点输出功率要相对大一点】。

2、压电陶瓷片的厚度，对电压没有影响，但对陶瓷片的电容有影响：越厚、电容越小。 另外，根据金属片的振动特点看，【直径越大，振幅就越大，输出功率相对较大】。

超声波驱鼠器制作方法一

超声波驱鼠器产生20KHz-35KHz超声波,对老鼠中枢神经形成刺激,会让老鼠听着刺耳难耐，使其头痛不舒服，会迫不及待立刻想逃离现场,以达到驱鼠的目的.适合于一切有鼠害发生的场所,特别是对于发电厂、变电站等驱鼠尤为有效。

超声波驱鼠器由超声波发生器、信号放大器、功率放大器和发射装置组成,超声波发生器采用RC振荡电路,产生频率为20KHz-35KHz的超声波信号,信号放大器采用推挽式放大电路,把信号放大到100-200毫瓦,再经过功率放大器将信号放大到3瓦左右,并通过发射装置将锯齿形超声波发射出去.

电路工作原理:见右图整个电路采取电磁耦合方式,以提高其效率,电路由220伏整流供给,采用9伏直流电源.

由电容C↓[1]、C↓[2]、C↓[3]电阻R↓[1]、R↓[2]、R↓[3]和三极管BG↓[1]组成RC振荡电路,产生超声波信号,在三极管BG↓[1]的基极上连接有偏流电阻R↓[4]、耦合电容C↓[4]、BG↓[1]的发射极上连接有作为电路反馈的电容C↓[5]、电阻R↓[5]由三极管BG↓[2]、BG↓[3]和电阻R↓[6]、R↓[7]、R↓[8]组成推挽式放大电路,把超声波信号放大,其中R↓[6]、R↓[7]为偏置电路,R↓[8]为电路反馈由三极管BG↓[4]和电阻R↓[9]、R↓[10]组成功率放大电路,其中R↓[9]和R↓[10]为偏置电路,信号经功率放大后通过变压器B↓[3]、电容C↓[6]发射出去上述振荡信号通过变压器B↓[1]和信号放大电路耦合,信号放大电路通过变压器B↓[2]和功率放大电路耦合。

超声波驱鼠器制作方法二

超声波驱鼠器:由超声波发声器件发出频率为45KHz的超声波,使老鼠心脏跳动加快,形成恐慌,立足不住,从它的巢穴搬走,达到驱鼠的目的.

超声波驱鼠器由供电联合取样电路、频率较正电路、施张振荡器、指示电路和超声波发声器件组成.

电路工作原理:见右图

220V交流电压经电阻R↓[1]、电器C↓[2]并联降压取样,二极管D整流及电容C↓[1]滤波后,得到直流电压E↓[B],直流电压E↓[B]由电感L↓[2]、L↓[1]和电阻R↓[3]加到三极管BT的G极,电阻R↓[3]和R↓[2]为三极管BT的G极偏置提供电压,同时,并联在电感L↓[2]上的电容C↓[3]、并联在电阻R↓[3]上的电容C↓[4]及并联在电阻R↓[2]上的电容C↓[5]构成频率补偿较正电路,由频率补偿较正电路和三极管BT组合成施张振荡器,电阻R↓[4]和发光二极管LED串联构成指示电路,指示电路和超声波发声器件SP并联后一端接在E↓[B]上,另一端连接三极管BT的D极。

电源刚接通时,三极管BT处于截止状态,接通电源后,220V交流电压经电阻R1、电容C2并联降压取样,二极管D整流及电容C1滤波后,得到直流电压Eb,Eb通过电l1、l2和电阻R3对电容C3充电,V1按指数规律逐渐上升,当电容C3充电至峰点电压时,三极管BT导通,电容C3经过三极管BT的G、S极放电,V1下降,放电电流流通产生输出脉冲,三极管BT导通时,G、S间内阻很小,所以电容C3放电时间很短,当V1下降至谷点电压时,管子又搬弄是非新截止,放电过程结束,完成一个工作周期,然后,电容C3被再次充电,周而复始,形成振荡,振荡频率为45KHZ,振荡脉冲电流使指示灯LED发光指示,使压电喇叭SP发出超声波.

超声波驱鼠器制作方法三

超声波驱鼠器,利用鼠类对于超声波的敏感程度比人类强200倍的特点,用电子线路产生高频振荡,经超声波换能器产生超声波,用这种超声波对鼠类形成刺激,使之产出生理上的不良反应,破坏其正常的生活习性,而达到驱鼠的目的.

超声波驱鼠器由外壳,及壳内的产生低频锯齿波电压的控制波发生器、产生高频振荡的扫描波发生器和把电信号转换成声信号的电声换能器组成.

电路工作原理:见图三控制波发生器的时基集成电路555的7脚经电阻和电源正极相连,7脚经电阻、电容串联电路和电源负极相连,7脚经电容和5脚相连后又经一个电容和电源负极相连扫描波发生器的时基集成电路555的5脚和晶体管的发射极相接,7脚经电阻和电源正极连接,7脚经电阻、电容串联电路和电源负极连接、该串联电路的公共端和2脚、6脚连接,3脚经电阻和电声换能器串联电路和电源负极连接。

控制波发生器的时基集成电路555的7脚与电源正极之间的电阻是个可变电位器,用于调节控制波的频率.从而改变扫描方式,避免老鼠产生免疫力,保持超声波驱鼠器长期有效驱赶老鼠.

控制波发生器由IC1时基集成电路555及外围元件的R1、R2、V1、C2、C3、C4组成,电位器V可以调节控制波发生器输出的低频锯齿波的频率,在C4上获得的低频锯齿波电压经晶体管BG的射极送给扫描波发生器.

扫描波发生器和功率放大器由IC2时基集成电路555及外围元件R5、R6、C5、C6组成,晶体管BG的射极输出的低频锯齿波电压送给IC2的5脚,IC2的3脚输出经过集成电路的内部进行功率放大的高频振荡,这个高频振荡的控制波电压变化周期内,其振荡频率在30KHZ到65KHZ范围内自动变化.

电声换能器由压电陶瓷片HTD组成,HTD压电陶瓷片将IC2的3脚输出的高频振荡转换成声信号输出.

整个电路所需的电压为直流电压通过导线头引入驱鼠器,C1为滤波电容.

超声波驱鼠器没有效果原因的常见问题

首先要搞清楚你使用的是什么驱鼠器,如果是所谓电磁波或红外线的驱鼠器的话效果肯定没有。如果是超声波驱鼠器的话,这有几种可能性可能会影响使用效果，第一种是与使用环境有很大关系，比如说与货物布局、房间间隔等，或物品（障碍物）的分布都有关系，如果防治区内物品密度太高，或者是货物直接堆放在地上，或者有太多的死角等（即超声波无法通过反射或折射到达的地方）,第二种可能性是和驱鼠器的摆放位置也有很大关系，如果说，驱鼠器的位置摆放的不好，形成的反射面较少时也会减弱驱鼠器的功效。第三种可能性是所购买的超声波驱鼠器的功率不够，超声波在经过数次的反射或折射后，能量已经大大降低，甚至衰减至无法达到驱除老鼠目的，所以如果购买的驱鼠器功率太小，超声波就不可能发挥作用，请用户在购买同类产品时必须注意相关指标。除此之外，如果防护空间太大，使用的驱鼠器数量不够，而超声波不能将防治范围完全覆盖的话，效果自然不会理想，在这种情况下应该考虑适当增加驱鼠器的数量或放置的密度。

某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。具有这种性能的陶瓷成为压电陶瓷，他的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。反之，当这类材料在外电场的作用下，其内部正负电荷中心位移，又可导致材料机械变形，形成的大小与点茶果能强度成正比。

压电效应：某些电介质（如日本富士压电陶瓷片）在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种力-电转换的现象称为正压电效应。

    压电陶瓷进行极化处理主要是工艺上的问题：包括油浴极化法、空气极化法、空气高温极化方法等。这和使用没有关系，不必要深究。

下图是可以非标定制的压电陶瓷片

压电陶瓷特性压电陶瓷正压电效应：当压电陶瓷在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生导号电荷，这种没有电场的作用。只是由于形变而产生电荷的现象称为正压电效应。压电陶瓷逆压电效应：当压电陶瓷施加电场时，不仅产生了极化。同时还产生了形变，这种由电场产生的形变的现象称为逆压电效应。压电陶瓷迟滞特性：压电陶瓷的开压和降升曲线之间存在移差值称为迟滞特性现象。压电陶瓷蠕变特性：在一定电压下，压电陶瓷的位移快速达到一定值后。位移继续随时间变化而缓慢变化，在一定时间后达到稳定的特性称为蠕变特性。压电陶瓷温度特性：压电陶瓷受温度的影响而产生的变化的特性，就叫做温度特性。压电陶瓷工作电压：压电陶瓷在达到标称位移量时所需要的电压，叫做工作电压，又称额定电压。压电陶瓷最大电压：压电陶瓷最大能承受的电压，叫做最大电压。压电陶瓷标称位移：压电陶瓷在工作电压下而产生的位移变化范围。叫做标称位移。压电陶瓷最大位移：压电陶瓷在最大电压下而产生的位移变化范围。叫做最大位移。压电陶瓷最大推力：压电陶瓷轴向的最大输出力。叫做最大推力。我们可以通过机械封装式压电陶瓷来了解最大推力。压电陶瓷刚度：压电陶瓷力与位移的关系。叫做刚度。我们可以通过低压驱动OEM式压电陶瓷来了解刚度。压电陶瓷静电容量：压电陶瓷本身的电容量。叫做静电容量我们可以通过XP-84X系列机械封装式压电陶瓷来了解静电容量参数。压电陶瓷响应频率：压电陶瓷最快的变化速度。叫做响应频率我们可以通过查看机械封装式压电陶瓷来知道压电陶瓷的响应频率。压电陶瓷叠层型陶瓷：将同一规格的压电陶瓷片粘贴在一起，实现机械上串联，电气上并联的压电陶瓷。特点是在输出力不损失的情况下，增大位移输出，这就是叠层型陶瓷，单路电源就可控制。压电陶瓷封装陶瓷：将压电陶瓷固化在机械结构内，从而提高压电陶瓷的可靠性和稳定性和可安装性。压电陶瓷开环陶瓷：无位置传感器的封装压电陶瓷。压电陶瓷闭环陶瓷：有位置传感器的封装压电陶瓷。

压电陶瓷预载力：通过机械结构预先给压电陶瓷施加的固定压力。叫做预载力。压电陶瓷位移分辨率：压电陶瓷的灵敏度。叫做位移分辨率。压电陶瓷响应速度：是压电陶瓷位移的变化速度.叫做响应速度。压电陶瓷标准配置：对于封装开环/闭环压电陶瓷在出厂时，对它的机械封装接口、电缆、连接器类型和长度的默认配置。标准配置机械接口：封装陶瓷的机械接口或称为移动端部分。该部分可由用户选择或定制。压电陶瓷电连接：封装陶瓷的电极和位置传感器的引出线缆和连接器类型压电陶瓷扩展功能：封装陶瓷在不改变外形的情况下，增加的位置传感器、低温修正等技术。压电陶瓷特殊定制：用户可根据自己的需要向我公司提出要求，包括压电陶瓷的技术指标、机械封装、安装方式、电气接口等，我公司会尽量在最短的时间内向用户提供最优质的产品，保证产品使用性能和产品的稳定性。

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压电陶瓷特性

压电陶瓷特性

压电陶瓷正压电效应：当压电陶瓷在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生导号电荷，这种没有电场的作用。只是由于形变而产生电荷的现象称为正压电效应。压电陶瓷逆压电效应：当压电陶瓷施加电场时，不仅产生了极化。同时还产生了形变，这种由电场产生的形变的现象称为逆压电效应。

压电陶瓷迟滞特性：压电陶瓷的开压和降升曲线之间存在移差值称为迟滞特性现象。压电陶瓷蠕变特性：在一定电压下，压电陶瓷的位移快速达到一定值后。位移继续随时间变化而缓慢变化，在一定时间后达到稳定的特性称为蠕变特性。

压电陶瓷片是蜂鸣片（器）的主要部件，所以称之为压电元件。

压电陶瓷片之所以能够发出蜂鸣的声音，是利用了压电效应的原理。

压电效应有正压电效应和逆压电效应二种。

压电效应：当给压电陶瓷片施加一个外力时，压电片会产生电荷，这种现象称为正压电效应： 压力——电压。

反之，当给压电片施加电场时，压电陶瓷片会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应，施加的电场强度越强，振动的幅度越大。

这种现象称为逆压电效应：电压——压力，各种压电陶瓷的器件均是利用这一特性而工作的。

所以蜂鸣片（器）是一个电压元件，也就是说在器件上施加的电压越大，器件的响度也会越高。