邵逸飛　孔繁星　何騰飛　陳澄　李勝男

摘 要 論述壓電陶瓷在高精度領域的不同應用，包括壓電陶瓷對物體微小形變測量、壓電陶瓷作為傳感元件與諧振器結合應用、壓電傳感技術在應力測量領域應用、壓電陶瓷作為驅(qū)動器在納米定位領域應用、壓電陶瓷對材料構件損傷識別、壓電陶瓷在無損檢測領域應用、基于相移干涉法對三維表面微觀輪廓檢測等；描述壓電材料分類以及特性；深度剖析壓電陶瓷在當前科技發(fā)展階段不同工業(yè)領域的應用，分析目前研究中的難點，展望未來的研發(fā)方向。

關鍵詞 無損檢測 壓電陶瓷 壓電傳感器 壓電驅(qū)動器 表面測量

中圖分類號 TP216；TM282? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0125?07

21世紀人類科技進入高速發(fā)展階段。我國高新科技的三大巨頭變成納米科技、信息科技和生物科技。隨著高新技術的不斷發(fā)展，在航空航天、精密級無損檢測、超精密加工、生物醫(yī)學及高精密醫(yī)療器械等方面，對材料的分辨率、精確度、剛度和動態(tài)響應的要求越來越高，為了滿足日益增長的高分辨率、高精度等要求，壓電材料被越來越多研究者所重視和研究，促使新型智能材料不斷發(fā)展。

“中國制造2025”戰(zhàn)略，要求實現(xiàn)亞微米-納米級精度，逐步帶領人類進入納米技術時代，納米科技受到廣大科研人員的關注［1］?！爸袊圃?025”戰(zhàn)略中提到了對智能材料的研究和對精密系統(tǒng)的開發(fā)。智能材料［2］是指具有感知、驅(qū)動、選擇與控制響應和自調(diào)節(jié)功能的新型材料。在智能材料中表現(xiàn)最為優(yōu)越的便是壓電材料，它具有體積小、結構簡單、控制方便、分辨率高、剛度大及無機械摩擦等優(yōu)點，被廣泛應用于各種需要高精度測量、定位、加工、驅(qū)動等領域。

隨著現(xiàn)代技術不斷成熟，壓電材料被制作成傳感器、驅(qū)動器等，用于精密超精密領域，實現(xiàn)物體微小形變的測量、應力測量、納米定位及無損檢測等。但目前在精密材料表面測量方面，壓電陶瓷應用相對較少，主要還是利用相移干涉法對材料表面的微觀輪廓進行測量。因此，需要繼續(xù)對壓電材料進行深入探索，不僅研究其在不同領域的應用，還要在結構設計、系統(tǒng)設計及優(yōu)化等方面深入研究，以實現(xiàn)精密材料表面的壓電測量。

1 壓電材料

壓電材料的主要特性是壓電效應，由居里兄弟首次發(fā)現(xiàn)并驗證。壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應［3］，如圖1所示，正壓電效應是指當壓電材料沿某一固定方向受到外力作用時，內(nèi)部發(fā)生電極化現(xiàn)象，上、下表面產(chǎn)生數(shù)量相同極性相反的電荷，這種現(xiàn)象具有可逆性，當外力撤離后，壓電材料恢復到不帶電狀態(tài)；逆壓電效應是指對壓電材料施加交變電場時，引起材料機械形變的現(xiàn)象。

壓電材料還具有電致伸縮效應，與逆壓電效應的相同之處是電能轉(zhuǎn)換為機械能，不同之處是電致伸縮效應變形是由材料中電介質(zhì)的極化效應所致。壓電效應是一次效應，只存在于非對稱晶體中，作為二次效應的電致伸縮則存在于所有晶體中。

自壓電效應被居里兄弟發(fā)現(xiàn)后，學者們對壓電材料進行了深入研究，各種新壓電材料不斷被發(fā)現(xiàn)和制作出來。壓電材料根據(jù)成分的分類如圖2所示。

每種壓電材料的優(yōu)缺點及應用場景不同。其中，壓電單晶體因結構無對稱中心，壓電性相對較弱，介電常數(shù)也較低，加工時對其尺寸和形狀有一定的要求。但其穩(wěn)定性要比壓電多晶體強，機械品質(zhì)因子相對較高，最具代表性的是石英晶體。

壓電陶瓷的性能則相反，多晶體壓電性強，機電耦合系數(shù)高，加工時對其外形沒有要求，可以做成任意形狀；缺點是機械品質(zhì)低，穩(wěn)定性較差。但壓電陶瓷在價格上優(yōu)勢大，可大批量生產(chǎn)，而且可以進行深加工，與其他功能器件結合，滿足不同領域的使用要求，因此被廣泛應用在各種需要進行超精密加工的現(xiàn)代科學技術和日常生活中。

2 壓電陶瓷的應用

目前，壓電陶瓷的應用領域大概分為3類［3］：壓電換能器、壓電驅(qū)動器和壓電傳感器（表1）。壓電換能器的作用是實現(xiàn)不同能量形式間的轉(zhuǎn)換，一般是將機械振動轉(zhuǎn)換為電能，還可實現(xiàn)超聲振動能和電能間的轉(zhuǎn)換。壓電驅(qū)動器是利用逆壓電效應，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，能夠?qū)崿F(xiàn)機械運動。壓電傳感器則是利用壓電效應，將測量元件的任何應變進行信號輸出。

2.1 壓電陶瓷在無損探傷領域應用

無損檢測技術［4］是指在不損傷被檢對象的前提下，利用聲、光、電、磁等技術檢測被檢對象是否存在缺陷或不均勻現(xiàn)象，并且能夠給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量。

常用的超聲波檢測、射線檢測、機器視覺檢測、渦流檢測及振動檢測等無損檢測方法對于混凝土損傷檢測和木結構損傷檢測都還停留在初級階段，無法對內(nèi)部損傷進行定位和描述，并且傳感器價格昂貴。

新型智能材料——壓電陶瓷，則具有使用靈活、價格便宜等特點，可以實現(xiàn)對混凝土損傷檢測和木結構損傷的定位和智能檢測。

壓電陶瓷在對材料進行損傷檢測方面采用的方法可分為兩大類：被動檢測和主動檢測。

被動檢測需要受到?jīng)_擊或在荷載作用下實現(xiàn)激勵，產(chǎn)生應力波，實現(xiàn)對結構沖擊荷載的識別。

主動檢測則能主動激勵產(chǎn)生應力波信號，進行損傷識別。主動檢測分為波傳播法和壓電阻抗法［5～8］。波傳播法采用壓電陶瓷驅(qū)動器和傳感器結合，將其嵌入到結構內(nèi)部或粘貼在結構表面。驅(qū)動器和傳感器分別產(chǎn)生和接收應力波，應力波在結構內(nèi)部傳播過程中遇到損傷部位就會發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，被接收端接收后根據(jù)應力波能量變化分析結構損傷狀態(tài)。壓電阻抗法的工作原理是利用壓電材料的機電耦合效應，通過施加交變電場，讓粘貼在結構表面的壓電陶瓷帶動結構發(fā)生機械振動，當結構受損時，本身的機械阻抗會發(fā)生改變，通過對比出現(xiàn)損傷前后的機械阻抗，對結構損傷程度進行估算。因結構機械阻抗受到的影響較多，如開裂、老化、侵蝕等，導致壓電阻抗法對結構損傷檢測比較片面，不能有效識別受損程度［9］，因此在目前的研究階段，主要采用波傳播法。小波包分析法［10］是基于傅里葉變換的小波函數(shù)，是目前對波傳播法進行信號分析的主要方法，能夠?qū)λ蓄l率信號進行分解。

根據(jù)壓電陶瓷在無損檢測和損傷成像領域的應用，可以選擇壓電驅(qū)動器和壓電傳感器相結合的方法，采用波傳播法對結構損傷進行檢測［11］。這種方法目前在混凝土損傷成像、木結構損傷識別檢測和鋼絲銹蝕檢測領域有所應用，因此在壓電陶瓷測量精密超精密材料微表面領域可以借鑒。但波傳播法在測量結構內(nèi)部受損時，可能受噪聲或其他波長相近應力波的影響，導致對損傷識別和成像有一定影響。

2.2 壓電陶瓷在微位移和三維表面測量領域應用

在微位移領域壓電陶瓷主要應用在超精密進給系統(tǒng)中，原理如圖3所示。微位移測量工具選用電感測微儀，精度0.01 μm，量程0～10 μm，工作臺剛度200 N/μm，位移行程27.6 μm［12］。在壓電陶瓷加載電壓和壓電陶瓷放電過程中，會產(chǎn)生動態(tài)位移，壓電陶瓷的位移會驅(qū)動工作臺產(chǎn)生進給運動，同時位移傳感器產(chǎn)生位移反饋給控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。將電感測微儀與計算機進行數(shù)據(jù)通信，利用Matlab或者LabVIEW實現(xiàn)對測量平臺的運動控制。

在三維表面測量領域使用的方法主要有機械探針法、光學探針法、掃描探針法和相移干涉法［13］，從表2［14～16］的對比結果可以看出，相移干涉法效果最好。

相移干涉法是一種光電型干涉測試技術。在進行三維物體表面測量時，需將顯微鏡和筒狀壓電陶瓷結合，通過計算機控制壓電陶瓷驅(qū)動參考板沿光軸方向勻速移動，使參考光與測量光之間的相位差隨時間做線性變化，利用CCD面陣探測干涉場上各點光強，從N幀光強算式中提取每一點的相位值，由相位與被測表面各點高度轉(zhuǎn)換關系式，可獲得被測表面輪廓高度分布［14，15］。根據(jù)微位移機構方案設計和相移干涉法對三維微觀表面測量，可以將壓電陶瓷和壓力傳感器相結合，通過單片機控制壓電陶瓷沿被測物體移動，并通過算法測量壓力的變化，得出被測物體的表面輪廓。

2.3 壓電陶瓷在壓電俘能領域應用

壓電俘能器是利用壓電振子本身的諧振特性和壓電材料的壓電效應原理，將環(huán)境中的太陽能、振動能、噪聲能等轉(zhuǎn)換為電能［17］。此原理在壓電陶瓷超聲電機中也有應用［18，19］。目前，壓電俘能技術主要應用在路面壓電發(fā)電方面，將車輛行駛產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能。

為提高俘能效率，國內(nèi)外學者對壓電材料選取、工作模式、結構類型及工作方式等進行了研究。

在壓電材料選取方面，最常用的是鋯鈦酸鉛（PZT）。但文獻［17］的研究表明，在高頻周期載荷作用下，PZT極易產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生脆性斷裂。因此PZT在壓電俘能系統(tǒng)中不能承受過大應力，可以采用壓電聚合體聚偏氟乙烯（PVDF），研究表明，PVDF具有高韌性、長壽命及高效率等優(yōu)點。

在工作模式方面，分為d31模式和d33模式，如圖4所示。兩種模式的區(qū)別在于作用力與極化方向不同，d31模式中兩者方向垂直，d33模式中兩者方向相同。研究表明，d33的耦合系數(shù)比d31的耦合系數(shù)高，d31的諧振頻率更低［17］，因此d31模式的壓電俘能系統(tǒng)比d33模式俘獲的能量更多。

在壓電元件與材料結合方式方面，分為一體化技術、埋入式技術和集成式技術3種。經(jīng)對比，壓電元件埋入式的性能相對較好，具有產(chǎn)能高、控制能力強等優(yōu)點［20］。

根據(jù)壓電陶瓷在壓電俘能領域的應用和優(yōu)化方案，在壓電陶瓷測量材料微表面領域，可以借鑒壓電俘能技術的工作模式和結合方式。工作模式可分為d31和d33。與材料結合的方式可分為表面粘貼和內(nèi)部嵌入兩種。在壓電陶瓷測量精密超精密材料微表面應用中，可以根據(jù)實際情況優(yōu)選出最佳方案。

2.4 壓電陶瓷在微定位領域應用

在微定位領域，普遍使用壓電陶瓷驅(qū)動器作為主要驅(qū)動元件。相較于傳統(tǒng)定位系統(tǒng)采用電機驅(qū)動，壓電陶瓷驅(qū)動器的分辨率和精確度可以達到納米級，能夠?qū)崿F(xiàn)精密超精密系統(tǒng)中的納米定位。

常用壓電陶瓷元件按結構可分為片狀和疊堆式兩種，疊堆式壓電陶瓷具有較長的縱向長度和較小的體積，既適用于多種精密領域又具有較大的形變量。研究表明，疊堆式壓電陶瓷驅(qū)動器的行程一般在10～200 μm，驅(qū)動力最大可以達到50 kN，響應時間達到微秒級［21］。

在驅(qū)動方面，分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動兩種方式［22，23］。電壓驅(qū)動易導致驅(qū)動電路發(fā)熱嚴重，輸出誤差較大，但在動態(tài)性能方面優(yōu)勢較大。電流驅(qū)動時壓電陶瓷位移線性度較高，但是頻率響應遲鈍，適用于動態(tài)頻率響應低的系統(tǒng)。

壓電陶瓷輸出位移量很小，因此在精密超精密領域應用時需要設計位移放大系統(tǒng)，目前常用的有滾珠絲杠、直線導軌及柔性鉸鏈等［24］。滾珠絲杠、直線導軌等傳統(tǒng)機構存在摩擦等客觀現(xiàn)象，導致定位精確度不高。柔性鉸鏈結構因結構緊湊、不存在摩擦現(xiàn)象及體積微小等優(yōu)越性，常用于精密超精密領域，柔性鉸鏈可分為正圓型、橢圓型及直角型等，正圓型和橢圓型鉸鏈結構簡單但精度較低，直角型精度高但運動行程受限，需要根據(jù)使用要求而定。

2.5 壓電陶瓷在微小形變和應力測量領域應用

在微小形變和應力測量領域主要應用壓電傳感器元件，將壓電陶瓷特性應用于力的測量，以及最終變換為力的非電物理量的測量。

在微小形變方面，傳統(tǒng)測量方法有游標卡尺、光杠桿等［25］，但滿足不了精密超精密領域的需求，因此利用智能材料壓電陶瓷和傳感器來實現(xiàn)對精密超精密材料微小形變測量是當前重要的研究方向。

在壓電傳感器使用方面，國內(nèi)外對此都有研究［26］。利用壓電陶瓷和壓力傳感器結合制作成系統(tǒng)測量端，與單片機和LabVIEW軟件組合成系統(tǒng)，對精密超精密材料的微小形變進行測量［24］；利用疊堆式壓電陶瓷傳感器［27］與機器人關節(jié)相結合的方法，實現(xiàn)機械臂關節(jié)接觸力感知反饋技術［28，29］；將壓電陶瓷力傳感器內(nèi)嵌在材料內(nèi)部，對材料所受壓力分布及動態(tài)進行測量［30］。

在制作壓電陶瓷傳感器時，常用方式有串聯(lián)式和并聯(lián)式［2，31］，串聯(lián)式輸出電壓是并聯(lián)式輸出電壓的兩倍，并聯(lián)式輸出電容是串聯(lián)式輸出電容的四倍。

壓電陶瓷傳感器與其他材料結合的方式分為埋入式和粘貼式兩種。埋入式是把壓電陶瓷嵌入到檢測體中，埋入式對壓電陶瓷的保護性高，使用壽命長，測量精度和靈敏度高，但是對技術要求較高，比較復雜；粘貼式是通過膠材料把壓電陶瓷粘貼在主體表面，粘貼式具有方法簡單、使用便捷的優(yōu)勢，可直接檢測主體的形變，但是需要經(jīng)常保養(yǎng)，使用壽命也短。

在精密超精密領域中使用，可以根據(jù)具體情況優(yōu)選制作方式和結合方式。

3 結束語

近些年，新型智能材料廣泛應用在超精密機械、超精密制造加工等領域。智能材料中以壓電陶瓷為主要研究對象，來檢測各種材料振動、形變等現(xiàn)象?？偨Y目前已有成果，展望未來研發(fā)方向：

a. 在無損探傷領域，主要利用壓電陶瓷驅(qū)動器和傳感器相結合，采用波傳播法進行檢測。在實際應用工程中，受到被測結構的厚度、開裂程度等影響，會產(chǎn)生板波導致測量結果誤差較大的情況，是需要解決的一個難題。

b. 在三維表面測量領域，采用壓電陶瓷材料驅(qū)動系統(tǒng)，對測量精度的提高起到了很大作用。但隨著科技發(fā)展，對測量技術的要求也會越來越高，未來將無損探傷使用的波傳播法與三維表面測量結合，可以使現(xiàn)有的測量精度和表面參數(shù)評定得到進一步提高，這將是今后的重點研究方向之一。

c. 在壓電俘能領域，目前多應用在路面發(fā)電方面，重點對壓電材料選取、工作模式、結構類型及工作方式等進行對比研究。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進，利用壓電陶瓷技術進行供應及存儲電能成為研究熱點。在未來，可以從提高電能轉(zhuǎn)換效率和延長使用壽命的方向進行深入研究，如利用位移放大機構等。

d. 在微位移、微定位領域，對疊堆式壓電陶瓷特性、驅(qū)動方式和位移放大機構進行論述。目前國外在六自由度定位器方面有一定研究。在未來，可以對位移和定位臺的精度、運動自由度及自動控制方面進行深入研究，如角度的優(yōu)化、耦合性的研究等。

e. 在微小形變和應力測量領域，采用壓電陶瓷和傳感器相結合的方式，對材料所受壓力和形變進行測量。同時可以利用壓電材料本身的特性，采用壓電閥對自感知應力和位移進行研究，脫離對外部傳感器的依賴。

總體來說，壓電陶瓷在精密超精密領域的研究越來越多，在當今世界科研領域有很大的發(fā)展前景，尤其在制造業(yè)、半導體行業(yè)等高新技術產(chǎn)業(yè)有深遠的影響。在未來的研究中，可以結合壓電陶瓷在上述各種領域中的應用原理和方法進行優(yōu)選和改進。

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（收稿日期：2022-06-29，修回日期：2022-11-24）

Application and Development of Piezoelectric Ceramics in?Precision and Ultra?precision Fields

SHAO Yi?feia， KONG Fan?xinga，b， HE Teng?feia， CHEN Chenga， LI Sheng?nana

（a. College of Information and Control Engineering ；?b. College of Electromechanical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology）

Abstract? ?The various applications of piezoelectric ceramics in the field of high precision were discussed， including piezoelectric ceramics application in? detecting small deformation of objects， their combined application as a sensing element and resonator， the piezoelectric sensing technologys application in the stress measurement， piezoelectric ceramics application as the actuator in nano?positioning， the damage identification of material components， the nondestructive testing as well as the detection of microscopic contours of three?dimensional surfaces based on phase shift interferometry. In addition， the classification and characteristics of piezoelectric materials were described and the application of piezoelectric ceramics in scientific and technological development was deeply analyzed， including the difficulties in current studies and its future research and development direction were prospected.

Key words? ?NDT， piezoelectric ceramics， piezoelectric sensor， piezoelectric actuator， surface measurement

基金項目：吉林化工學院博士啟動基金項目（吉化院博金合字〔2021〕第031號）。

作者簡介：邵逸飛（1998-），碩士研究生，從事檢測技術與自動化裝置的研究。

通訊作者：孔繁星（1975-），副教授，從事智能制造技術、超精密加工及檢測技術等的研究，fanxingks@163.com。

引用本文：邵逸飛，孔繁星，何騰飛，等.壓電陶瓷在精密超精密領域的應用及發(fā)展［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：125-130；180.