【干货】一文讲透压电陶瓷：作用机制详解

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压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，在日常生活、工业生产、医学诊断等多个领域都有广泛的应用。

一

压电陶瓷的工作机理

压电陶瓷是一种新兴的功能陶瓷材料，具有独特的压电效应，即能够将机械能与电能相互转换。

这种效应源于陶瓷内部存在的自发极化行为，经过人工极化处理后，陶瓷内部会形成剩余极化强度。

在外界压力或电场的作用下，此极化强度会发生变化，从而产生压电效应。

这一效应分为正压电效应和逆压电效应：

1、正压电效应：

当对压电陶瓷片施加压力时，其内部会发生微小应变，导致陶瓷片两端产生极性相反的电荷。这些电荷通过回路可以形成电流，从而实现机械能到电能的转换。这一过程即为正压电效应。

2、逆压电效应：

当在压电陶瓷片上施加一个交变的电场时，陶瓷片会发生形状变化，时而变薄时而加厚，并伴随振动和发射声波。这一过程即为逆压电效应，实现了电能到机械能的转换。

二

压电陶瓷的主要特性

1、迟滞特性：

压电陶瓷升压曲线和降压曲线之间存在位移差，位移差会随着电压变化范围的改变而改变。

2、蠕变特性：

当施加在压电陶瓷的电压值不再变化时，位移值不是稳定在一固定值上，而是随着时间缓慢变化，在一定时间之后才会达到稳定值。

3、温度特性：

温度变化是影响压电陶瓷性能的重要因素。压电陶瓷的性能会随着温度的改变而产生明显的变化。通常，压电陶瓷有一个极限使用温度，即居里温度。当温度达到这一极限时，压电陶瓷会失去压电性能。此外，随着温度的上升，压电材料的一些电特性参数会下降，从而影响传感器的输出灵敏度，并使传感器的低频响应变坏。

4、预载力和负载能力：

压电陶瓷的抗拉强度非常低，在实际应用中，为了增加其稳定性和使用寿命，通常需要施加一定的预载力。同时，压电陶瓷也具有一定的负载能力，但过高的负载会降低其使用寿命或导致损坏。

5、谐振频率：

压电陶瓷在特定条件下，如两端不固定且在很小的电压驱动信号下，发生谐振的频率。谐振频率是压电陶瓷的重要性能参数，但并不能直接作为陶瓷的使用频率。在实际应用中，建议陶瓷的使用频率要小于谐振频率的三分之一，以避免因过高的工作频率导致陶瓷损坏或性能下降。

6、居里温度：

压电陶瓷达到居里温度点时，压电陶瓷将会产生退极化，从而失去压电性质。为了确保压电陶瓷的稳定性和使用寿命，建议在实际应用中远低于居里温度使用，最好不高于居里温度的一半。

三

压电陶瓷在物位开关中的应用

压电陶瓷在振动式物位开关仪表中扮演着至关重要的角色。它是振动式物位开关的核心部件，使仪表探头在谐振频率下产生振动及信号接收。通过智能电路单元对接收到的信号进行处理分析，输出一个开关信号，从而判断物料的存在。

具体来说，压电陶瓷在振动式物位开关仪表中的应用主要体现在以下几个方面：

1、振动驱动：

压电陶瓷片作为振动式物位开关的核心部件，在接收到电信号后，能够产生机械振动，这种振动被传递到物位开关的探头部分，使探头在谐振频率下产生稳定的振动。

2、信号接收与转换：

当仪表探头与物料接触时，由于物料的阻尼作用，会引起探头振动的改变。压电陶瓷能够将这种振动的改变转化为电信号，通过智能电路单元进行处理和分析，从而输出一个开关信号来判断物料的存在与否。

3、智能判断：

通过智能电路单元对接收到的电信号进行处理分析，可以判断物料是否存在以及存在的位置。从而实现物位的准确测量和控制。

在选择高温型振动式物位开关压电陶瓷时，应尽量选取居里温度高些和热稳定性好的压电材料，以获得较宽的工作温度范围，并选用介电常数、压电常数和机电耦合系数应尽可能大，以提高传感器的灵敏度和响应速度，选择添加有“变价”添加物的压电材料，以提高材料的温度稳定性和时间稳定性。

四

总结

综上所述，压电陶瓷以其独特的压电效应和优良的物理性能，在振动式物位开关仪表中发挥着不可替代的作用。

深圳计为自动化公司生产的Ring-11音叉液位开关，Tube-11振棒料位开关和Fork-11音叉料位开关采用高性能的压电陶瓷器件作为振动驱动和信号接收传感器，能可靠地检测和判断物料的存在，实现物位的准确测量和控制，广泛应用于石油、化工、电厂、污水处理等领域。

随着科技的不断发展和技术创新，压电陶瓷在物位测量领域的应用前景将更加广阔。

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封面丨小黄

文字丨盛工

图片丨阿刀

审核丨小田