浅谈压电陶瓷在汽车中的应用

杨群保 李永祥

当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。

刹车片在汽车低速度行驶过程中接触转子会产生振动，有时表现为刺耳的噪音。这种噪音不会影响刹车的性能，但却会导致不必要的替换刹车片和加装用于消除噪音的垫片、消音材料和其他部件。若在汽车的制动器活塞里安装一种简单的压电陶瓷致动器，向内部制动杉块的支撑板施加“抖动”频率，有效抑制产生尖利噪音的振动，从而能在温度湿度变化和刹车系统正常磨损的情况下发挥作用。 由于不需要安装探测器或逻辑系统以确定适当的控制频率，这种装置在结构上要简单得多，需要的元件也比较少。

压电陶瓷也可用作汽车的压电陶瓷爆震传感器、超声波传感器、加速度传感器等类别。压电陶瓷爆震传感器由压电陶瓷振子、金属片、密封垫、金属外壳等构成。压电振子产生的电荷与发动机气缸发生的振动成正比，所产生的电压经屏蔽线进入电控单元，由此检测出7kHz左右振动所产生的电压，电控单元根据这一电压的大小判断爆震强度，及时修正或响应推迟点火提前消除爆震，使发动机在接近爆震、热效率最高、燃料消耗量最少的点火时刻工作，实现无爆震工作状态，保证发动机以最大可能的功率与经济指标运转。

超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成，具有水平方向特性宽，而垂直方向受到限制的方向性，原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。为获得高的发射效率和接受灵敏度，发射接收全并在一起的超声波传感器是目前市场上的主流产品，具有很高的发射效率、接收灵敏度及尖锐的指向性。超声波有一定的探测角度和范围，可覆盖汽车后部整个区域。用于汽车电控悬架系统直接计测车身底盘与路面距离的超声波传感器正在研制之中。超声波传感器还被用于空气流量计，检测发动机进气量大小。

压电陶瓷加速度计传感器可用于汽车安全气囊系统，利用碰撞惯性形成的惯性力会在压电陶瓷体内产生剪切力作用，由此发生与加速度成正比的电荷及电压，高精度高可靠。将两枚压电陶瓷片通过内部的共同电极串联粘结起来，形成二级结构，安装在运动方向上并形成悬臂梁，并在外围电路厚度集成制作在一个外壳内，检测汽车瞬间的低速或高速碰撞强度，转换成电信号输出，满足诊断控制多种算法要求，确保碰撞强度大时，安全气囊准确及时开启，提高汽车安全性能。