壓電效應(yīng)和壓電材料介紹

1、壓電效應(yīng)和壓電材料介紹2某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。5.1.1 壓電效應(yīng)3反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。壓電效應(yīng)的可逆性 逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)4電致收縮效應(yīng)電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，會(huì)由于極化而引起

2、與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)的的變形現(xiàn)象，與逆壓電效應(yīng)都是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效應(yīng)。兩者區(qū)別在于：電致收縮效應(yīng)與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比；而逆壓電效應(yīng)與電場(chǎng)方向有關(guān)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)外加電場(chǎng)反向時(shí)，產(chǎn)生形變也反向。5壓電材料的分類5.1.2 壓電材料 壓電半導(dǎo)體 有機(jī)高分子壓電材料壓電晶體 壓電材料壓電陶瓷新型壓電材料6 壓電常數(shù): 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 1、壓電材料的主要特性參數(shù) 介電常數(shù): 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān) 彈性常數(shù): 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。7 機(jī)械耦合系數(shù)

3、：轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根。 電阻: 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 居里點(diǎn)溫度: 它是指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。 82、壓電晶體 優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好。石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)壓電系數(shù)d112.3110-12 C/N；機(jī)械強(qiáng)度與品質(zhì)因素高；居里點(diǎn)為573.9石英晶體按特定方向切片人工合成水晶10這一類包括單晶體包括酒石酸鉀鈉、磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、砷酸二氫鉀、砷酸二氫銨、

4、鈮酸鋰。優(yōu)點(diǎn)：壓電靈敏度較高，高溫強(qiáng)輻射條件下工作性能穩(wěn)定缺點(diǎn)：易于受潮，質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低，電阻也較低水溶性壓電晶體 113、常見(jiàn)壓電陶瓷 ：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。124、新型壓電材料壓電半

5、導(dǎo)體 包括硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘 既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性。有機(jī)高分子壓電材料 一類是高分子聚合物 聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯 優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)地柔軟，抗拉強(qiáng)度高，耐沖擊 另一類是高分子化合物中摻雜鈦酸鋇(BaTiO3)131. 石英晶體的結(jié)構(gòu)X軸：電軸或1軸；Y軸：機(jī)械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸。 縱向壓電效應(yīng)：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.1.3 石英晶體的壓電特性 14如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在

6、正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)，把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。 1516d11壓電系數(shù)（C/N） 作用力是沿著機(jī)械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面此時(shí)，晶體切片當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí)，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 17石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。下圖是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。 圖中“”代表硅離子Si4+

7、， “”代表氧離子O2-。 2. 石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理18硅氧離子的排列示意圖x(a)xy(b)+y+-19當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 如圖所示。 因?yàn)镻 = qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。2021當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（F x 0 在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 02223在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體

8、受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用時(shí)，其變化情況如圖所示。電偶極矩P1增大， P2、 P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為(P1+P2+P3)x1，則令60式中- 測(cè)量回路固有頻率12361結(jié)論（1）當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)，前置放大器的輸出電壓等于零，因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。 (2)當(dāng) ，前置放大器輸入電壓Uim隨頻率變化不大（3）當(dāng) ，可近似看作放大器輸入電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)，說(shuō)明壓電傳感器高頻響應(yīng)特性好，即輸出電壓不受頻率限制，適合于高頻交變力的測(cè)量。62（4）采用電壓放大器的壓電傳感器的壓電靈敏

9、度受分布電容C的影響引線電纜不能太長(zhǎng)，否則會(huì)降低電壓靈敏度；不能隨意改變引線電纜長(zhǎng)度，否則電壓靈敏度也會(huì)改變632. 電荷放大器用電壓放大器作為前置變換電路使得輸出U不僅與電荷量有關(guān)，還與連接電纜等分布參數(shù)如CC有關(guān)，所以系統(tǒng)的互換性不好，采用電荷放大器就可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。 64 電荷放大器等效電路電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。 65由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓 通常A=104-1

10、08，因此,當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為 66由上式知，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與反饋電容CF，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。在實(shí)際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100-104pF。 675.3 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式測(cè)力傳感器68傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1-0.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到

11、石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測(cè)力范圍為0-5000N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為50-60 kHz，整個(gè)傳感器重為10 g。 典型應(yīng)用：機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。 69壓電式刀具切削力測(cè)量示意圖 70圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式加速度傳感器71當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，F(xiàn)=ma式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力;m質(zhì)量塊的質(zhì)量 a加

12、速度。 此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11ma 與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 72將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。 粘貼位置使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。壓電式玻璃破碎報(bào)警器73壓電式壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p壓電式測(cè)壓傳感器74當(dāng)膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面上產(chǎn)生電荷。在一

13、個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強(qiáng)P成正比。75壓電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短 。76當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。77壓電式流量計(jì)流量顯示輸出信號(hào)換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電超聲換能器每隔一段時(shí)間(如1/100s)發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。 壓電式流量計(jì)78壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用ABO點(diǎn)LALB地 面L如果地面下一均勻的自來(lái)水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來(lái)的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出LA或LB。79兩者時(shí)間差為t= tA-tB=（LA - LB ）/v又L=LA