1引言
耦合器是一种用来传输信号的器件，其输入与输出之间在电气上是绝缘隔离的。目前国内外应用较多的耦合器有：光电耦合器、变压器耦合器、液力耦合器等等。这些耦合器的应用领域不完全相同，例如光电耦合器在电路隔离、电平转换、无触点开关及固体继电器等场合得到了广泛的应用。变压器耦合器则主要应用于电子设备、自动控制及通讯领域等。
压电陶瓷耦合器是利用压电陶瓷的正、逆压电效应开发出来的一种新型耦合器，它是用铁电材料（例如锆-钛酸铅）经高温烧结、高压极化等系列工艺制造而成的。压电陶瓷耦合器主要应用于无触点开关及继电器等领域。通常继电器分两类，一类是有触点通用继电器简称MER，另一类是无触点固体继电器简称SSR。由于材料及结构原因，这些继电器存在一些难以克服的问题，例如MER触点跳动易产生火花和电磁幅射，触点易烧蚀，使用寿命短；随机触发型SSR抗干扰能力差；过零触发型SSR接通时间长等。如何解决这些问题，国内外学者进行多方面的研究，但由于电路结构、隔离元件的选用大多沿用传绕的技术，因此难以有较大的突破。采用PZT陶瓷材料研制出一种片式结构的压电陶瓷耦合器，又以它为隔离器件研制出压电陶瓷耦合固体继电器从根本上克服了传统的MER和SSR所存在的问题，这种继电器具有体积小、接通时间短、触发灵敏度高、抗干扰能力强、无电磁幅射、使用寿命长等特点。
2压电陶瓷耦合器材料、结构与工作方式
2.1压电陶瓷耦合器材料
压电陶瓷耦合器采用（PbO3-PbTiO3）陶瓷材料制备。其对压电陶瓷耦合器应具有信号传输特性好，输出电流大的特点，我们采用PZT压电陶瓷材料A位复合取代多种氧化物掺杂改性的措施，以提高材料的压电性、介电性，研究出性能较佳的改性PZT压电陶瓷材料，主要参数为：KP=62  d33=400  e=1500  Qm=600。
2.2结构与工作方式
压电陶瓷耦合器结构如图1所示，图中A为驱动部份，两面烧有银的电极1和2，B为输出部份，两面也烧有银的电极3和4。输入和输出之间绝缘，并用共同的压电陶瓷声学系统联系起来，耦合器的输出端与输入端可以互换。
压电陶瓷耦合器的工作方式：当在压电陶瓷耦合器输入端施加频率为耦合器固有谐振频率的交流电压时，由于逆压电效应，压电陶瓷耦合器产生长度方向上的伸缩振动，电能转换成机械能，并通过声学系统耦合到输出端，在输出部分，由于压电效应，机械能转变成电能输出电压，从而实现信号传递。因为压电陶瓷耦合器的输入和输出之间绝缘，因此它将分别与输出、输入相连的电路隔离开。
2.3压电陶瓷耦合器电学特性
图2是 PC-1型压电陶瓷耦合器Vo-f特性曲线，从图可以看出压电陶瓷耦合器的输出电压随频率变化而变化，输入信号频率等于耦合器谐振频率时输出电压最高，偏离谐振频率，输出电压迅速下降。从图还可以看 出压电陶瓷耦合器的谐振频率有若干个，其中谐振频率为226.5kHz的泛音频频率输出电压最高。
图3为PC-1型压电陶瓷耦合器的Ri-f特性曲线，图中Y轴表示压电陶瓷耦合器的输入阻抗，X轴表示输入信号频率，从图可以看出，压电陶瓷耦合器谐振时输入阻抗较小。在若干个谐振点中，频率为226.5kHz的谐振阻抗最小，只有60Ω。在此点工作的压电陶瓷耦合器功率损耗极小。图3进一步证明压电陶耦合器谐振时，从输入端看进去的输入等效电路为串联谐振回路。图2、图3曲线是在输入信号幅度为2V、室温状态下测得的。压电陶瓷良好的频率特性、阻抗特性是研制压电陶瓷耦合固体继电器的重要依据。
3压电陶瓷耦合固体继电器
3.1压电陶瓷耦合固体继电器工作原理
 压电陶瓷耦合固体继电器电路结构如图4所示。图中Q1是双向可控硅。压电陶瓷耦合器是输入与输出之间的隔离器件，RL是负载电阻。QDP-1是为压电陶瓷耦合固体继电器设计的专用厚膜驱动电路。当控制信号为高电平时，驱动电路工作，并将频率为226.5KHz的交流电压加在压电陶瓷耦合器的输入端，由于正、逆压电效应，压电陶瓷耦合器的输出端产生相同频率的交流电压，并加在可控硅的控制极G和主电极T1之间，双向可控硅导通，完成继电器的接通过程。当控制信号为低电平时，振荡器停振，负载电流过零时双向可控硅自行关断，完成继电器的关断过程。由于耦合器工作在高频范围，输出端是由双向可控硅构成无触点开关，因此继电器无火花放电和电磁幅射，零点交越失真也很小。
3.2 压电陶瓷耦合固体继电器性能测试与讨论
按照QJ2289-22固体继电器测试方法和GJB1515-23固体继电器总规则的技术要求，在中国国家继电器检测中心对PSSR-1型压电陶瓷耦合固体继电器样品主要技术参数进行测试，测试结果见表1
压电陶瓷耦合固体继电器与传统继电器相比较见表2
4结论
研究表明，压电陶瓷耦合器具有很强的信号耦合和抗干扰能力，用压电陶瓷耦合器研制的压电陶瓷耦合固体继电器，除了能达到固体继电器总规范规定技术要求外，还具有控制功率小，触发灵敏度高，抗干扰能力强，接通时间短，可靠性高，无火花放电，无电磁幅射，使用寿命长等优点。它不仅在民用控制领域有广泛应用，而且能满足可靠性及环境条件要求很高的新一代武器装备、空间技术的需要。

参考文献
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