压电陶瓷的压电系数.ppt

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1、第5章压电式传感器第一节压电效应1第二节压电材料第三节压电式传感器的测量电路3第四节压电式传感器应用42概述压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象

2、，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换，如图5-1所示。图5-1压电效应可逆性压电材料压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它

3、直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。(4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。压

4、电材料压电材料压电材料可以分为两大类压电晶体——晶体压电陶瓷——极化处理的多晶体石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，是较理想的压电材料。压电材料一、石英晶体石英晶体化学式为SiO2（二氧化硅），是单晶体结构它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。压电材料（a）（b）（c）图5-2石英晶体天然结构的石英晶

5、体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的压电材料天然结构定义x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。压电材料若从晶体上沿y方向切下一块如图5-2（c）所示晶片，当在电轴方向施加作用力时，在与电轴x垂直的平面上将

6、产生电荷Qx，其大小为式中：——x方向受力的压电系数；——作用力。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为：压电材料式中：——y轴方向受力的压电系数，a、b——晶体切片长度和厚度。电荷Qx和Qy的符号由所受力的性质决定。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为：未受外力作用时,石英晶体正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角，电偶极矩为0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石

7、英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷.当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。压电材料二、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用

8、时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。如图5-4。压电材料当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向