分析压电陶瓷换能器的工作原理

根据换能器的功能,大体上按照发射型,接收型,收发型来选用陶瓷,分别对应pzt8,pzt5,pzt4，参数主要包括：d33,Fr,Fp,D,Cp0。陶瓷片的用量根据功率极限来算，一般为0.3W/kHz/cm^3，厚度要根据响应或者灵明度来选取，计算起来就比较麻烦了，这里也说不清楚，要看看书了。有了体积和厚度，片数也就差不多知道了。

压电陶瓷片本身不是有毒的，它只是一种含有铁锆的陶瓷，它的安全性比较高。但是，如果压电陶瓷片在生产过程中添加了有毒物质，那么它就会变得有毒。因此，当选择压电陶瓷片时，应注意其原料，以确保其安全性。此外，在使用压电陶瓷片过程中，应注意安全，避免受到有毒物质的污染和影响。

一、美容仪器超声波概述

人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000Hz。当声波的振动频率大于20000Hz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000Hz的声波称为“超声波”。

超声波频率越低，穿透力越强。一般用于美容行业的超声波频率为1-3MHz。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，传播距离远等特点。因此被应用于越来越多的行业。

美容仪器超声波技术自80年代引入美容届以来．以其治疗范围广、见效快、治愈率高、操作简便而得到普及和推广，已成为众多美容仪中最实用、最受欢迎的设备。随着科学技术的进步，新一代专业超音波美容仪器横空出世，携其卓越的品质、强大的功能、豪华的外形迅速席卷美容行业。

超声波应用于美容行业主要有以下几个作用

1、机械作用：每秒100万次的机械振动，使受作用的每个部位都随之振动，起到独特的细胞按摩作用，提高细胞代谢功能，增强细胞的活力，促进血液循环，改善皮肤组织营养，使皮肤红润．增加弹性。

2、温热作用：超声波的温热作用通过引起血管功能及新陈代谢过程的变化，可使血液循环旺盛，使细胞兴奋点降低，产生镇痛的作用。使痉挛的肌肤松弛，具解挛的作用。

3、化学作用：超声波具有加强催化、加速新陈代谢的作用。可使ph值向碱性方面变化。利于药物透入，提高药物杀菌能力。

二、美容仪器超声波原理图分析

1、美容仪器超声波原理图 2、美容仪器超声头组件

其实超声头主要由压电陶瓷片和金属头组成。其中压电陶瓷片就是一个振荡器件，工作时以1MHz的频率高速振荡，其产生的能量靠金属头传递到金属头表面。

3、电路分析

在本电路中，C2 C3 C4 Q2 L3及超声头共同组成一个电容自激振荡电路，特别注意：我们在分析本电路时，要把超声头当成一个电容器件来分析。因为超声头本身主要的器件是由压电陶瓷片组成，而压电陶瓷片实际就是一个大电容，所以没有超声头本电路就不会起振。

Q2是振荡管，是整个电路的核心，所以我们在使用时要根据电源电压V1和工作电流来选择参数，一般美容仪器上的超声波电路用的都是低于48V的电压。

L2是一个扼流圈，其主要作用是在工作时保证工作电流不会过大而烧振荡管。

其他器件共同组成一个振荡管的基极调节电路，本电路是由RW1调节输出大小，也可以用单片机做输出大小。

本电路简单耐用，主要是给Q2安装足够的散热器就可以了。市场上的超声波美容仪器基本上都是采用这个电路。

超声波美容仪：探头热的程度不代表声波输出功率的多少，太热易灼伤皮肤；浓度过小的水剂药物，不宜直接渗透，否则易引起皮肤干燥；使用时，探头不能从眼球经过，上眼皮不能按摩；孕妇及严重心脏病患者不能使用。

美容仪器的操作禁用人群： 怀孕妇女； 日常工作时不可避免强（日）光暴晒人群； 对光过敏及药物过敏者及对强光光源过敏人群； 皮肤敏感极易感染过敏者； 癫痫病患者及疤痕及体质人群； 客人的上眼皮及带有开放性伤口的部位； 糖尿病患者； 正在使用功效型护肤品的应停用1—3个月后进行操作 ，操作部位使用精油应停1-2天再操作、黑头粉刺需针清3天后再治疗 期望值过高受术者；

压电陶瓷变压器有单层（PT）或多层（MPT）。使用时都要在输入端施加交流电压（或脉冲），而且所施加的电压频率与变压器谐振频率相同。在此电压的作用下,压电变压器产生逆压电效应，形成机械振动，此振动波沿变压器纵向传递，形成正压电效应，到达输出端，在输出端产生交流正弦波输出电压。输出电压是输入电压的N倍(N为升压比)。目前，单层变压器的升压比可达到200倍以上，多层变压器则可以达到更高。压电陶瓷变压器不论单层（PT）或多层（MPT）使用时都要在输入端施加交流电压（或脉冲）U1，而且所施加的电压频率与变压器谐振频率相同。在此电压的作用下,压电变压器产生逆压电效应，形成机械振动，此振动波沿变压器纵向传递，形成正压电效应，到达输出端，在输出端产生交流正弦波输出电压。输出电压是输入电压的N倍(N为升压比)。目前，单层变压器的升压比可达到200倍以上，多层变压器则可以达到更高。建议采用KH3005压电陶瓷，（多层压电陶瓷变压器）。尺寸为30（L）×5（W）×2.6（H），额定功率为3.5W，最大输出功率为4W，谐振频率为55kHz，输入电容为180nf，输出电容为26pf。

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】。

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。