压电效应
压电效应
压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。这些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。
常见的压电元件有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
图9-1所示为天然结构的石英晶体，呈六角形晶柱。在直角坐标系中，Z轴表示其纵向轴，称为光轴；X轴平行于正六面体的棱线，称为电轴，Y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。常将沿电轴（X轴）方向的力作用下产生的电荷效应称为“纵向压电效应”；沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴（Z轴）方向受力时则不产生压电效应。
从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片，图9-2即为石英晶体切片的示意图。在每一切片中，当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为
(9-1)
式中，d11为压电系数（C/g或 C/N）。
电荷Qx的符号视Fx是受压还是受拉而决定，由式(9-1)中可见，切片上产生电荷的多少与切片几何尺寸无关。
若在同一切片上作用的力是沿着机械轴（Y轴）方向的，其电荷仍在与X轴垂直的平面上出现，而极性方向相反，此时电荷的大小为
(9-2)
式中，a、b为晶体切片的长度和厚度，d12为Y轴方向受力时的压电系数（石英轴对称，）。
由式（9-2）可见，沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关。式中的负号说明沿Y轴的压力所引起的电荷极性与沿X轴的压力所引起的电荷极性是相反的。
晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系可用图9-3表示，图（a）是在X轴方向上受压力，(b)是在X轴方向受拉力，(c)是在Y轴方向受压力，(d)是在Y轴方向受拉力。
在片状压电材料的两个电极面上，如加以交流电压，压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象。压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，亦称为“逆压电效应”。
下面以石英晶体为例来说明压电晶体是怎样产生压电效应的。石英晶体的分子式为SiO2。如图9-4（a）所示，硅原子带有4个正电荷，而氧原子带有2个负电荷，正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。
如在X轴方向压缩，如图9-4(b)所示，则硅离子1就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。如所受的力为拉伸，则硅离子1和氧离子4向外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。如沿Y轴方向上压缩，如图9-4(c)所示，硅离子3和氧离子2及硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极C和D上仍不呈现电荷，而由于相对把硅离子和氧离子4向外挤，则在A和B表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A 和B上电荷符号与前者相反，在Z轴上受力时，由于硅离子和氧离子是对称平移，故在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。
9.1.2 压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时，在相应的表面上产生表面电荷，其计算公式为
(9-3)
式中，q为电荷的表面密度（C/cm2）；s为单位面积上的作用力（N/cm2）；d ij为压电常数（C/N）。压电常数有两个下角注，其中第一个角注i表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂直于X轴（Y轴或Z 轴）时，记作i=1（或2或3）。第二个下角注j=1或2、3、4、5、6分别表示在沿X轴、Y轴、Z轴的平面内（即yz平面、zx平面、xy平面）作用的剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋转的正向看去使其Ⅰ、Ⅱ象限的对角线伸长。
9.1.3 压电元件的基本变形
从压电常数矩阵还可看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有以下几种。
（1）厚度变形（TE方式）
如图9-6（a）所示，该方式是石英晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷密度为
q1=d11s1 (9-5) （2）长度变形（LE）变形
如图9-6（b）所示，是利用石英晶体的横向压电效应，表面电荷的计算式为
q1=d12s2或Q1=d12Fy(Sx/Sy) (9-6)
式中，Sx、Sy为分别为电荷面和受力面的面积。该式表明沿机械轴方向对晶体施加作用力时，在垂直于电轴的表面产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。
(3）面剪切变形（FS方式）
如图9-6（c）所示，计算式为
q1=d14s4（X切晶片）（9-7）
或q2=d25s5（Y切晶片）（9-8）有关晶片的切形及符号是这样规定的：在直角坐标中，如切片的原始位置是厚度平行于X轴，长度平行于Y轴，宽度平行于Z轴，以此原始位置旋转出来的切型为X切族；如切片的厚度、长度和宽度边分别平行于Y、X和Z轴，从此原始位置旋转出来的切型为Y切族。并规定逆时针旋转为正切族，而顺时针旋转为负切型。
（4）厚度剪切变形（TS方式）
如图9-6（d）所示，计算式为：q2=d26s6(Y切晶片)
（5）弯曲变形（BS方式）
该方式不是基本变形方式，而是按拉、压、剪切应力共同作用的结果。根据具体情况选择合适的压电常数。对于BaTio3压电陶瓷，除掉LE方式（用d31）和TE方式（用d33）、FS方式（用d15）外，尚有体积变形(VE)方式可利用，如图9-6（e）所示。这时产生的电荷密度按下式计算
q3=d31s1+d32s2+d33s3 ( 9-9)
此时应力s1=s2=s3=s，d31=d32，q3=(2d31+d33)s=dvs，式中，dv=2d31+d33为体积压缩的压电常数。
以上讨论的压电常数dij的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，在晶体形变上不存在“二次效应”。实际使用时还有其它压电常数。
（1）压电常数g
在“断路条件”下单位应力在晶体内部产生的电势梯度，它描述压电元件的电压灵敏度，其值为
(9-1 0)
式中，er、e0分别为相对介电常数、真空介电常数（常数d、g和e应有相同的下角注）。
（2）压电常数h
表示每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度，是关系到压电材料机械性能的参数，其值为 (9-
11)
式中，E为晶体的杨氏模量。
（3）机电耦合系数K
它反映压电材料机械能与电能之间相互耦合关系的物理量，其值为K2=由机械能转变成的电能 / 输入的机械能，或K2=由电能转变而来的机械能 / 输入的电能。可见K为压电晶体压电效应强弱的一种无纲量表示，它与h、d的关系为
(9-12)
9.2 压电材料
具有压电效应的敏感材料叫压电材料。由于它是物性型的，因此选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。选用压电材料时应考虑以下几个方面：
①转换性能具有较大的压电常数；
②机械性能压电元件作为受力元件，希望它强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；
③电性能希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响范围和良好的低频特性；
④温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性压电特性不随时间蜕变；
压电材料可分为两大类，即压电晶体与压电陶瓷，前者是单晶体，后者是多晶体。
9.2.1 石英压电晶体
石英晶体是常用的压电材料。其理想外形共有30 个晶面，其中六个m面或称柱面，六个大R面或称大棱面，六个小r面或称小棱面，还有六个S面及六个X面。天然和人造石英的外形虽有不同，但两个晶面之间的夹角是相同的。
晶体与非晶体材料区别在于晶体的许多物理特性取决于晶体中的方向，而非结晶材料的特性则与方向无关。利用石英的压电效应进行力——电转换，需将晶体沿一定方向切割成晶片。适于各种不同应用的切割方法很多，最常用的就是X切割和Y切割。
石英最明显的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度范围很宽的传感器。压电式传感器的灵敏度定义为电输出值与机械输入值之比，是压电元件dij、e和电阻率ρ三个参数的函数，其中每个参数都与温度有关。由图9-7可见，在常温时d和e不随温度变化，在20~200℃时，温度每升高1℃,d11仅减少0.016%,当上升到400℃时，也只减小5% ，但当温度超过500℃时，d11急剧下降，当达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度是其居里点或叫倒转温度。由图9-7（c）可知，当温度变化到居里点时，r变化是很大的，这种变化具有单调的特征，从室温到居里点，它几乎改变了六个数量级。石英晶体的机械强度很高，可承受约108Pa的压力；在冲击力作用下漂移也很小；弹性系数较大，所以可用来测量大量程的力和加速度。
天然石英的稳定性很好，但资源少，并且大多存在一些缺陷。故一般只用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。
由于天然生长的石英资源有限，一般采用人工培养方法获取石英晶体制作石英传感器。在高温高压（400℃，1000bar）的环境下，一公斤石英的生长约需一星期左右。近些年来，出现了比石英晶体性能还优异的人工培养的压电晶体，如瑞士kistler公司研制的KI85，这种在1000℃高温环境下生长的新型晶体（亦为单晶体），除具有与石英晶体相同的高强度和温度稳定性之优点外，还具有比石英高3倍多的压电系数和直到700℃的工作温度范围。这种优异的晶体被用来制作一些微型高精度压电传感器。
9.2.2 压电陶瓷
压电陶瓷主要有钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3）、锆钛酸铅等压电陶瓷（PZT）、铌酸盐系压电陶瓷，如铌酸铅（PbNb2O3），铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）等。
压电陶瓷是人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。如钛酸钡晶粒内有许多自发极化的电畴。在极化处理前，各晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。如图9-8（a）所示。当陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图9-8(b)所示(为简单起见,图中将极化后的晶粒画成单畴，实际上极化后的晶粒往往不是单畴)，由于进行了极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当电场撤消后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷内极化强度不再为零，如图9-8(c)所示。这种极化强度称为剩余极化强度。这样在陶瓷片极化的两端就出现束缚电荷，一端为正电荷,另一端为负电荷，如图9-9所示。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极表面上很快吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，起屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用,因此陶瓷片内不表现极性。若在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力,陶瓷片将产生压缩变形，片内的正负束缚电荷之间的距离变小，电畴发生偏转，极化强度也变小，因此，原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由于机械效应转变为电效应，即由机械能转变为电能的现象，称为压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，即
(9-13)
式中，Q为电荷量；d33为压电陶瓷的压电系数；F为作用力。
应该注意，刚刚极化后的压电陶瓷的特性是不稳定的，需经过两三个月以后，压电常数才近似保持为一定常数。经过两年以后，压电常数又会下降，所以做成的传感器要经常校准。另外，压电陶瓷也存在逆压电效应。
9.2.3 压电元件常用结构形式
在使用中，如仅用单片压电片工作，要产生足够的表面电荷就要有很大的作用力，常把两片或多片的压电片组合在一起。由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种方式。
两压电片并联，总电容量C / 、总电压U /、总电荷Q /与单片的C、U、Q的关系为
C /=2C U /=U Q /=2Q (9-16)
两压电片串联，其关系为
C /=C/2 U /=2U Q /=Q (9-17)
上述两种方法的C /、U /和Q / 是不同的，可视测试要求合理选用。
9.3 压电式传感器的等效电路
压电片受力时在一个极板上聚集正电荷，另一个极板上聚集负电荷，两种电荷量相等，如图9-12(a)所示。两极板间聚集电荷，中间为绝缘体，使它成为一个电容器，如图9-12(b)所示。其电容量为
（9-18）
式中，S为极板面积；h为压电片厚度；ε为介质介电常数；ε0为空气介电常数，（其值为8.86×10-4F/cm）；εr为压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。两极板间电压为
（9-19）
由此可把压电式传感器等效成为一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路，如图9-13(b)所示。由图可见，只有在外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压U才能长期保存下来，如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RLCa按指数规律放电。压电式传感器也可等效为一个电荷源与一个电容并联的电路，如图9-13(a)所示。
为此在测量一个变化频率很低的参数时，就必须保证负载RL具有很大的数值，以确保有很大的时间常数RLCa，使漏电造成的电压降很小，不致造成显著误差，这时RL常要达到数百兆欧以上。
如把压电式传感器与测量仪表连在一起时，还应考虑到连接电缆的等效电容CC。若放大器的输入电阻为Ri，输入电容为Ci，那么完整的等效电路为图9-14所示。图(a)为压
电式传感器以电压灵敏度表示时的等效电路。图（b）是传感器以电荷灵敏度表示的等效电路，两者的意义是一样的，只是表示的方式不同。图中Ca是传感器的电容，Ra是传感器的漏电阻。
9.4 压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常在压电式传感器输出端后面，先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。压电式传感器的测量电路关键在于高阻抗的前置放大器。
前置放大器有两个作用：一是将压电式传感器的微弱信号放大；二是将传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的输出可是电压，也可是电荷。因此，它的前置放大器也有电压和电荷型两种形式。9.4.1 电压放大器（阻抗变换器)
一般来说，压电式传感器的绝缘电阻Ra≥1010Ω,因此传感器可近似看为开路。当传感器与测量仪器连接后，在测量回路中就应当考虑电缆电容和前置放大器的输入电容、输入电阻对传感器的影响。要求前置放大器的输入电阻要尽量高，一般最低在1011Ω以上。这样才能减小由于漏电造成的电压（或电荷）的损失，不致引起过大的测量误差。
下面用传感器、电缆和前置放大器的等效电路（见图9-15）来讨论它们之间的关系。
图9-15（b）中，等效电阻R为
（9-20）
等效电容C为
(9-21)
式中，Ra为传感器的绝缘电阻； Ca为传感器内部电容；Cc为电缆电容；Ci为前置放大器输入电容。由等效电路可知，前置放大器的输入电压为
（9-22）
假设作用在压电元件上的力为F，其幅值为Fm，角频率为w。即
F=Fm sin wt（9-23）
若压电元件的压电系数为d，则在力F的作用下，产生的电荷Q为
Q=dF（9-24）
因此
（9-25）
将上式写成复数形式为
(9-26)
将式（9-26）代入式（9-22）得
（9-27）
因此，前置放大器的输入电压的幅值Uim为
（9-28）
输入电压与作用力之间的相位差为
（9-29）
在理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra和前置放大器的输入电阻Ri都为无限大，即电荷没有泄漏。由式（9-28）可知，前置放大器的输入电压（即传感器的开路电压）的幅值Uam为
（9-30）它与输入电压Uim之幅值比为
（9-31）
令
式中,τ为测量回路的时间常数，其值为
(9-32)
则式（9-31）和式（9-29）可分别写成如下形式
（9-33）
(9-34)
由此得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线，如图9-16。当作用在压电元件上的力是静态力（w=0）时，则前置放大器的输入电压等于零。因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉，从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。
当w/w1>>1，即wτ>>1时，即作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim随频率的变化不大，当w/w1>>3时，可近似看作输入电压与作用力的频率无关。说明压电式传感器的高频响应是相当好的。它是压电式传感器的一个突出优点。
但是，如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传
感器灵敏度下降。因此，为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度SV是与电容成反比的。可从式（9-28）得到以下关系式：
因为ωR>>1，所以，传感器的电压灵敏度Sv为
(9-35)
因此，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。
为了满足阻抗匹配要求，压电式传感器一般都采用专门的前置放大器。电压前置放大器（阻抗变换器）因其电路不同而分为几种形式，但都具有很高的输入阻抗（1000MΩ以上）和很低的输出阻抗(小于100Ω)。图9-17所示的一种阻抗变换器，它采用MOS型场效应管构成源极输出器，输入阻抗很高。第二级对输入端的负反馈，进一步提高输入阻抗，以射极输出的形式获得较低的输出阻抗。
但是，压电式传感器在与阻抗变换器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。
电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠，但是，电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器的应用场合。
解决电缆问题的办法是将放大器装入传感器之中，组成一体化传感器，如图9-18所示。压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器（阻抗变换器）。引线非常短，引线电容几乎等于零，避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可得到较大的电压信号，弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。
图9-18所示的传感器，与带专用阻抗变换器与电荷放大器的压电传感器相比，具有许多优点。最为突出的是该传感器能直接输出一个高电平、低阻抗的信号（输出电压可达几伏），可用普通的同轴电缆输出信号，一般不需再附加放大器，只有在测量低电平振动时，才需要再放大，并可很容易直接输至记录仪器。另一显著的优点是，由于采用石英晶片作压电元件，因此在很宽的温度范围内灵敏度十分稳定，而且经长期使用，性能也几乎不变。
9.4.2 电荷放大器
电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1012~1014Ω，其输出阻抗小于100Ω。
使用电荷放大器突出的优点是，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器，其等效电路见图9-19。图中k是放大器的开环增益，（-k）表示放大器的输出与输入反相，若放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端a点的电位接近“地”电位。由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即
（9-36）
式中, U0为放大器输出电压；Ucf为反馈电容两端的电压。
由式（9-36）可知，电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，因此，只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。同时，反馈电容Cf小，输出就大，因此要达到一定的输出灵敏度要求，必须选择适当容量的反馈电容。
要使输出电压与电缆电容无关是有一定条件的，可从下面的讨论中加以说明。图9-20是压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路，由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到
放大器输入端的有效电容Cf′为
(9-37)
设放大器输入电容为Ci、传感器的内部电容为Ca和电缆电容为Cc ，则放大器的输出电压
（9-38）
当，放大器的输出电压为
（9-39）
当时，传感器的输出灵敏度可认为与电缆电容无关，是电荷放大器突出的优点。在实际使用中，传感器与测量仪器总有一定的距离，它们之间由长电缆连接，由于电缆噪声增加，而降低了信噪比，使低电平振动的测量受到一定程度的限制。
在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测物理量的不同及后级放大器不致因输入信号太大而引起饱和，反馈电容Cf的做成可调的，范围一般在100~10000pF之间。为减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf(约108 ~1010 Ω)，见图9-20，其功能是提供直流反馈。
由上可见，低频时电荷放大器的频率响应仅取决于反馈电路参数Rf和Cf，其中Cf的大小可由所需的输出电压幅值根据式(9-39)确定。当给定工作频带下限截止频率fL时，反馈电阻Rf利用在低频时,电压U0与电荷Q之间的相位差由Ф=arctg(1/ Rf Cfw)来确定。如Cf =1000pF, fL=0.16Hz，则要求Rf≥109Ω。在电荷放大器中采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，故零漂较大而产生误差，为减小零漂，使放大器工作稳定，应并联电阻Rf。
电荷放大器工作频带的上限主要与两种因素有关：一是运算放大器的频率响应；二是若电缆很长，杂散电容和电缆电容增加，导线自身的电阻也增加，它们会影响电荷放大器的高频特性，但影响不大。例如100m 电缆的电阻仅几欧到数十欧，故对频率上限影响可以忽略。
9.5 压电式传感器的应用
9.5.1 压电式测力传感器
压电元件直接成为力-电转换元件是很自然的。关键是选取合适的压电材料，变形方式，机械上串联或并联的晶片数，晶片的几何尺寸和合理的传力结构。显然，压电元件的变形方式以利用纵向压电效应的TE方式为最简便。而压电材料的选择则决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目通常是使用机械串联而电气并联的两片。因为机械上串联的晶片数目增加会导致传感器抗侧向干扰能力的下降，而机械上并联的片目增加会导致对传感器加工精度的过高要求，同时，传感器的电压输出灵敏度并不增大。下面介绍几个测力传感器的实例。
图9-22为单向压电式测力传感器结构图。晶体片为X切割石英晶片，尺寸为f8×1mm ，上盖为传力元件，其变形壁的厚度为0.1~0.5mm,由测力范围（F max=500Kg）决定。
图9-23 3向测力传感器结构图
图9-24 6分量测力计
绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求。否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破坏。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化（包括超声波清洗），然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。
3向压电测力传感器内安装有3组石英晶片。其中两组石英晶片对剪切力敏感，分别测量Fx和Fy这两个横向分力。另一组石英晶片测量纵向分力Fz。在载荷作用下，各组石英晶片分别产生与相应分力成正比的电荷，并通过电极引到外部输出插座。由于剪切力Fx、Fy是通过上下安装面与传感器表面的静摩擦传递的，所以安装时传感器一定要预加载荷。
用4个3向压电测力传感器可以组装6分量测力计（图9-24）。在测力计内部，4个传感器的输出被部分地并联在一起，得到8个输出信号，据此可获得3个轴向力和3个力矩。6分量压电测力计被用来进行机床切削力测量，生物力学实验中的步态测量分析及其他工业和科研领域中的碰撞，冲击力等动态测量。
9.5.2 压电式加速度传感器
图9-25为压缩型压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器受振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相当小，可认为质量块的惯性很小。因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后即可用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，还可测出试件的振动位移或速度。
压电元件的受力和变形常见的有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形四种。按上述四种变形方式有相应的四种结构的传感器，但最常见的是基于厚度变形的压缩式和基于剪切变形的剪切式两种，前者使用更为普遍。图9-26为四种压电式加速度传感器的典型结构。
剪切式传感器具有很高的固有频率，频响范围很宽，特别适用于测量高频振动，它的体积和重量都可做得很小，有助于实现传感器微型化。但是，由于压电元件与中心柱之间，以及惯性质量环与压电元件之间要用导电胶粘结，要求一次装配成功，因此，成品率较低。
目前，优质的剪切式加速度传感器同压缩式传感器相比，横向灵敏度小一半，灵敏度受瞬时温度冲击和基座弯曲应变效应的影响都小得多，因此，剪切式加速度传感器有替代压缩式的趋势。
9.5.3 压电阻抗头
在机械阻抗的测量中，力和运动的响应是用压电阻抗头测得的，它是把压电式力和加速度传感器组合在一体的传感器，如图9-27所示。它用上、下两个联接螺孔安装在激振器和试件之间，其前端是力传感器，用来测量激振力；后面是加速度传感器，用来测量激振力作用下那点的加速度，在结构上应使两者尽量接近。质量块用高密度的钨合金制成，壳体材料为钛。为了使传感器的激振平台具有刚度大、质量小的特点，多用铍合金制成。
9.6 压电式传感器的误差
压电式传感器除了频率误差外，还存在下列误差。
（1）环境温度的影响
环境温度的变化对压电材料的压电系数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化。但当温度低于400℃时，其压电系数和介电常数都很稳定。
人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英要大得多，为提高压电陶瓷的温度稳定性和时间稳定性，应进行人工老化处理。经人工老化后的压电陶瓷在常温条件下性能稳定，但在高温环境中使用时，性能仍会变化，为了减少这种影响，在设计传感器时，应采取隔热措施。
为适应在高温环境下工作，除压电材料外，连接电缆也是一个重要的部件。普通电缆是不能耐700℃以上高温的。目前，在传感器中大多采用无机绝缘电缆和含有无机绝缘材料的柔性电缆。
（2）湿度的影响
环境湿度对压电式传感器性能影响也很大。如传感器长期在高湿环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应将会变坏。压电式传感器的一个突出指标是绝缘电阻要高达1014Ω。为了能达到这一指标，采取的必要措施是：合理的结构设计，把转换元件组做成一个密封式的整体，有关部分一定要良好绝缘；严格的清洁处理和装配，电缆两端必须气密焊封。必要时可采用焊接全密封方案。
（3）横向灵敏度和它所引起的误差
压电式单向传感器只能感受一个方向的作用力。一只理想的加速度传感器，只有当振动沿压电传感器的轴向运动时才有输出信号。若在与主轴正交方向的加速度作用下也有信号输出，则此输出信号与横向作用的加速度之比称为传感器的横向灵敏度。产生横向灵敏度的主要原因是：压电材料的不均匀性；晶片切割或极化方向的偏差；压电片表面粗糙或有杂质，或两个表面不平行；基座平面与主轴方向互不垂直；质量块加工精度不够；安装不对称等。其中尤其以安装时传感器的轴线和安装表面不垂直的影响为最大。结果是传感器最大灵敏度方向与其几何主轴不一致；横向作用的加速度在传感器最大灵敏度方向上的分量不为零。通常，横向灵敏度是以主轴灵敏度的百分数来表示。最大横向灵敏度应小于主轴灵敏度的5% 。横向灵敏度是具有方向的。图9-28表示最大灵敏度在垂直于几何主轴平面上的投影和横向灵敏度在正交平面内的分布情况。其中km为最大横向灵敏度向量，kL为纵向灵敏度向量，kT为横向灵敏度最大值且将此方向定为
正交平面内的00。当沿00或1800方向作用横向加速度时，都将引起最大的误差输出。在其它方向，产生的误差将正比于kT在此方向的投影值，所以从00—3600横向灵敏度的分布情况是对称的两个圆环。
横向加速度通过传感器横向灵敏度引起的误差用下式计算：
(9-55)
式中，ar为横向干扰加速度；aL为被测加速度，即沿传感器主轴方向作用的加速度。
为了减小横向灵敏度，应针对上述产生横向灵敏度的原因逐项克服，其中特别应注意用传感器的最小横向灵敏度kT min置于存在最大横向干扰的方向，从而减小测量误差。
（4）电缆噪声
工作时普通电缆受到弯曲或振动时，屏蔽套、绝缘层和电缆芯线之间可能发生相对移动或摩檫而产生静电荷。由于压电式传感器是电容性的，这种静电荷不会很快消失而被直接送到放大器，形成电缆噪声。为减少这种噪声，可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。
（5）接地回路噪声
在测量系统中接有多种测量仪器，如各仪器和传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。
压电陶瓷主要性能及参数
自由介电常数εT33（free permittivity）
电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。
相对介电常数εTr3（relative permittivity）
介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。
介质损耗（dielectric loss）
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。
损耗角正切tgδ（tangent of loss angle）
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即：电学品质因数Qe（electrical quality f actor）
电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则Qe=1/ tgδ=ωCR
机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor）
压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为：
泊松比（poissons ratio）
泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示：
δ=- S 12 /S11
串联谐振频率fs（series resonance frequency）
压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即
并联谐振频率fp（parallel resonance frequency）
压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p = 谐振频率fr（resonance frequency）
使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。
反谐振频率fa（antiresonance frequency）
使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率，用f a 表示。
最大导纳频率fm（maximum admittance frequency）
压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率，这时振子的阻抗最小，故又称为最小阻抗频率，用f m表示。
最小导纳频率fn（minimum admittance frequency）
压电振子导纳最小时的频率称为最小导纳频率，这时振子的阻抗最大，故又称为最大阻抗频率，用f n表示。
基频（fundamental frequency）
给定的一种振动模式中最低的谐振频率称为基音频率，通常成为基频。
泛音频率（fundamental frequency）
给定的一种振动模式中基频以外的谐振频率称为泛音频率。
温度稳定性（temperature stability）
温度稳定性系指压电陶瓷的性能随温度而变化的特性。
在某一温度下，温度变化1℃时，某频率的数值变化与该温度下频率的数值之比，称为频率的温度系数TKf。
另外，通常还用最大相对漂移来表征某一参数的温度稳定性。
正温最大相对频移=△f s (正温最大)/ f s(25℃)
负温最大相对频移=△f s (负温最大)/ f s(25℃)
机电耦合系数（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）
机电耦合系数K是弹性一介电相互作用能量密度平方V122与贮存的弹性能密度V1与介电能密度V2乘积之比的平方根。
压电陶瓷常用以下五个基本耦合系数
A、平面机电耦合系数KP（反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数。）
B、横向机电耦合系数K31（反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。）
C、纵向机电耦合系数K33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。）
D、厚度伸缩机电耦合系数KT（反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数。）
E、厚度切变机电耦合系数K15（反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数。）
压电应变常数D（PIEZOELECT RIC STRAIN CONSTANT）
压电应变常数是在应力T和电场分量EM(M≠I)都为常数的条件下，电场分量E变化所引起的应变分量SI的变化与EI变化之比。
压电电压常数G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)
该常数是在电位移D和应力分量T N（N≠I）都为常数的条件下，应力分量TI的变化所引起的电场强度分量EI的变化与TI的变化之比。
居里温度TC(CURIE TEMPERATURE)
压电效应论文
中南大学 材料科学与工程学院 课程设计论文 题目：压电效应简析专业：材料加工 班级：1010 姓名：商伦阳 学号：0607101031 指导教师：余琨 二○一二年十一月
压电效应简析 一、压电效应（piezoelectric effect）概述 1.1 压电效应的定义 某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就会产生极化现 象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复 到不带电的状态，我们把这种现象称为压电效应。 1.2 压电效应分类 压电效应分为正压电效应和负压电效应。 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象, 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电 的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电 荷量与外力的大小成正比。通过此过程把机械能转化成电能的现象，称为正压电 效应 负压电效应：当在电介质极化方向施加电场，引起晶体机械变形的现象，称为负压电效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。也称为电致伸缩效应。 1.3 压电效应的特性与作用：由压电效应原理可知，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。因此，压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。
1.4 压电效应的历史和发展 压电效应是1880年由法国著名物理学家，放射学先去皮埃尔?居里先生和雅克?保罗?居里发现的。他们发现某些晶体特别是石英等受到挤压或者拉伸力的作用后，会在相对的两个平面上产生异号电荷，且密度与电压成正比。一旦电荷出现，放点过程的发光便相伴而生。由此可知，当石英晶质体绵延几公里的时候，震前上百巴的应力变化足以造成百万伏的触发电压，低空的放点发光便在情理之中。 经过一百多年的研究，人们发现压电效应有两种，机械能转变为电能是正效应，相反为逆效应，而且有20多种晶体均含有压电效应。人工已经合成了大量的性能更佳的压电陶瓷材料，不仅发现压电材料在机械能，电能，热能，光能之间有相互转换的良好关系，还发现人体组织，毛发和骨骼都有生物压电效应。我们日常使用的打火机，音响，手机，电子表等等都使用了压电材料。目前这种材料制成的产品已广布于各个领域。 二、压电晶体 2.1 什么是压电晶体：有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α -石英）是一种有名的压电晶体。 2.2 晶体有无压电效应的判断：晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。 具有压电效应的晶体 不具有压电效应的晶体
压电效应及其应用
压电效应及其应用 电介质在电场中可以极化，某些电介质，当沿着一定方向对它施力而使其变形时，在它的端面上产生符号相反的电荷。这种没有电场作用，只是由于形变而产生的极化电荷现象称为压电效应。能产生压电效应的晶体，称为压电晶体， 常见的压电晶体有石英晶体（）、压电陶瓷、钛 2SiO 酸钡()、锆钛酸铅等。 3a B TiO 压电晶体具有以下功能： (1)压电效应：当外力加于晶体上时，晶体发生 形变，导致在受力的两个晶面上出现等量异号的电 荷。压力产生的极化电荷与拉力产生的极化电荷的方向相反，如图7－64所示。极化电荷的多少与外力引起的形变程度有关。压电效应产生的原因是，在外力作用的方向上，由于晶体发生形变造成晶格间距的变化，使得晶粒的正负电荷中心发生分离，从而产生极化现象。 (2)电致伸缩效应：压电晶体在电场力的作用下发生形变的现象，叫做电致伸缩效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。 (3)热电效应：某些压电晶体通过温度的变化可以改变极化状态，从而在某些相对应的表面上产生极化电荷，这种现象叫做热释电效应。反之，这种晶体在外电场作用下，其温度会发生显著变化，这种现象叫做电生热效应。热释电效应的发生源于晶体的各向异性，是由于晶体在不同方向上的线膨胀系数不同而引起的。 由于压电晶体具有以上的特殊功能，因而在现代科技中有着广泛的应用，诸如压电晶体振荡器、压电电声换能器、压电变压器、压电传感器等。现举例说明如下： 压电晶体振荡器压电晶体振荡器是将机械振动变为同频率的电振荡的器件，由夹在两个电极之间的压电晶片构成。由于压电晶片的机械振动 有一个确定的固有频率，所以它对频率非常敏感。石英 晶体振荡器是目前应用最多的一种压电晶体振荡器，由 于它制造容易、性能稳定、精度高、体积小。因此广泛 应用于军事通讯和精密电子设备、小型电子计算机、微 处理机以及石英钟表内作为时间或频率的标准。有恒温 控制的石英晶体振荡器，频率稳定度可达量级，可 1310?作为原子频率标准而用于原子钟内。 石英晶体振荡器由信号源和石英晶体组成，如图7－65所示。 其中石英晶片是将石英晶
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
压电陶瓷及其应用
压电陶瓷及其应用 一. 概述 压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似（原料粉碎、成型、高温烧结）因而得名。 某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是J·居里和P·居里兄弟于1880年发现的。几个月后他们又用实验验证了逆压电效应、即给晶体施加电压时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只知道有两类铁电体（在某温度范围内不仅具有自发极化，而且自发极化强度的发向能因外场强作用而重新取向的晶体）：一类是罗息盐和某些关系密切的酒石酸盐；一类是磷酸二氢钾盐和它的同品型物。前者在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶解的缺点；后者要在低温（低于—14 C）下才有压电性，工程使用价值不大。 1942-1945年间发现钛酸钡（BaTiO）具有异常高的介电常数，不久又发现它具有压电性，BaTi O压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。这以前只有压电单晶材料，此后出现了压电多晶材料——压电陶瓷，并获得广泛应用。1947年美国用BaTiO陶瓷制造留声机用拾音器，日本比美国晚用两年。BaTiO存在压电性比罗息盐弱和压电性随温度变化比石英晶体大的缺点。 1954年美国B·贾菲等人发现了压电PbZrO-PbTiO(PZT)固溶体系统，这是一个划时代大事，使在BaTiO时代不能制作的器件成为可能。此后又研制出PLZT透明压电陶瓷，使压电陶瓷的应用扩展到光学领域。
迄今，压电陶瓷的应用，上至宇宙开发，下至家庭生活极其广泛。 我国对压电陶瓷的研究始于五十年代末期，比国外晚10年左右，目前在压电陶瓷的试制、工业生产等方面都已有相当雄厚力量，有不少材料已达到或接近国际水平。 二. 压电陶瓷压电性的物理机制 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释，晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象、因此压电性与极化，形变等有密切关系。 1. 极化的微观机理 极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间互相吸引力的暂时平衡统一的状态。极化机理主要有三种。 （1）电子位移极化——电介质的原子或离子在电场力作用下，带正电原子核与壳层电子的负电荷中心出现不重合。 （2）离子位移极化——电介质正、负离子在电场力作用下发生相对位移，从而产生电偶极矩。 （3）取向极化——组成电介质的有极分子，有一定的本征（固有）电矩，由于热运动，取向无序，总电矩为零，当外加电场时，电偶极矩沿电场方向排列，出现宏观电偶极矩。 对于各向异性晶体，极化强度与电场存在有如下关系 m，n=1，2，3 式中为极化率，或用电位移写成：
压电效应
压电效应
压电效应 压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。这些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。 常见的压电元件有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 图9-1所示为天然结构的石英晶体，呈六角形晶柱。在直角坐标系中，Z轴表示其纵向轴，称为光轴；X 轴平行于正六面体的棱线，称为电轴，Y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。常将沿电轴（X轴）方向的力作用下产生的电荷效应称为“纵向压电效应”；沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴（Z轴）方向受力时则不产生压电效应。 从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片，图9-2即为石英晶体切片的示意图。在每一切片中，当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为 (9-1) 式中，d11为压电系数（C/g或 C/N）。 电荷Qx的符号视Fx是受压还是受拉而决定，由式(9-1)中可见，切片上产生电荷的多少与切片几何尺寸无关。 若在同一切片上作用的力是沿着机械轴（Y轴）方向的，其电荷仍在与X轴垂直的平面上出现，而极性方向相反，此时电荷的大小为 ( 9-2) 式中，a、b为晶体切片的长度和厚度，d12为Y轴方向受力时的压电系数（石英轴对称，）。 由式（9-2）可见，沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关。式中的负号说明沿Y轴的压力所引起的电荷极性与沿X轴的压力所引起的电荷极性是相反的。
晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系可用图9-3表示，图（a）是在X轴方向上受压力，(b)是在X轴方向受拉力，(c)是在Y轴方向受压力，(d)是在Y轴方向受拉力。 在片状压电材料的两个电极面上，如加以交流电压，压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象。压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，亦称为“逆压电效应”。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体是怎样产生压电效应的。石英晶体的分子式为SiO2。如图9-4（a）所示，硅原子带有4个正电荷，而氧原子带有2个负电荷，正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。 如在X轴方向压缩，如图9-4(b)所示，则硅离子1就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。如所受的力为拉伸，则硅离子1和氧离子4向外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。如沿Y轴方向上压缩，如图9-4(c)所示，硅离子3和氧离子2及硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极C和D上仍不呈现电荷，而由于相对把硅离子和氧离子4向外挤，则在A和B表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A 和B上电荷符号与前者相反，在Z轴上受力时，由于硅离子和氧离子是对称平移，故在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。 9.1.2 压电常数和表面电荷的计算 压电元件在受到力作用时，在相应的表面上产生表面电荷，其计算公式为 (9-3)
压电效应及应用
压电效应应用及现状 [编辑本段] 一、原理： 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、应用： 压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。 1、换能器 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件 压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。 压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。 2、压电驱动器 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P （VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。
压电效应及其原理
压电效应及其原理 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 两种压电效应的关系 可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效 的材料必然具有逆压电效应。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。
压电效应及其应用
压电效应及其应用叶传忠 接触了这么多的实验，我始终对压电效应这个实验最感兴趣。因为我认为这个世界压力资源太丰富了，由于重力的存在，水平运动的物体都会产生压力。压力是一种能源，但是目前无法对压力直接进行利用，只有通过压电的转换对压力进行利用。但是压电转换的效率太低，这是一个问题。我对压力资源感兴趣，应先对压电效应进行思考！ 压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 打火机 目前流行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。取出其中的压电打火元件，
压电晶体 有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。 压电高分子 压电现象是由于应力作用于材料，在材料表面诱导产生电荷的过程，一般这一过程是可逆的，即当材料受到电参数作用，材料也会产生形变能。木材纤维素、腱胶原和各种聚氨基酸都是常见的高分子压电性材料，但是其压电率太低，而没有使用价值。在有机高分子材料中聚偏氟乙烯等类化合物具有较强的压电性质。压电率的大小取决于分子中含有的偶极子的排列方向是否一致。除了含有具有较大偶极矩的C-F键的聚偏氟乙烯化合物外，许多含有其他强极性键的聚合物也表现出压电特性。如亚乙烯基二氰与乙酸乙烯酯、异丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表现出较强的压电特性。而且高温稳定性较好。主要作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。将两枚压电薄膜贴合在一起，分别施加相反的电压，薄膜将发生弯曲而构成位移控制元件。利用这一原理可以制成光学纤维对准器件、自动开闭的帘幕、唱机和录像机的对准件。 压电陶瓷 压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。 在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。 在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的“眼睛”——压电陶瓷水声换能器。
压电陶瓷特性分析(一) 压电效应
压电陶瓷特性分析（一） 压电效应 压电效应是1880年由居里兄弟在α石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用的，当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现象称为正压电效应。当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，两者一一对应[92]。 任何介质在电场中，由于诱导极化的作用，都会引起介质的形变，这种形变与逆压电效应所产生的形变是有区别的。电介质可能在外力作用下而引起弹性形变，也可能受外电场的极化作用而产生形变，由于诱导极化作用而产生的形变与外电场的平方成正比，这是电致伸缩效应。它所产生的形变与外电场的方向无关。逆压电效应所产生的形变与外电场成正比例关系，而且当电场反向时，形变也发生变化（如原来伸长可变为缩短，或者原来缩短可变为伸长）。此外，电致伸缩效应在所有的电介质中都具有，不论是非压电晶体还是压电晶体；只是不同结构的电介质晶体的电致伸缩效应的强弱不一样。而逆压电效应只有在压电晶体中才具有。 能产生压电效应的晶体叫压电晶体。一类压电晶体是单晶，如石英(SiO2)，酒石酸钾钠(又称洛瑟盐，NaKC4H4O6?H2O)，锗酸铋(Bi12GeO20)等。另一类压电晶体 称为压电陶瓷，如钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅[Pb(Zr x Ti rx)O3，代号PZT]，日本制成的铌镁锆钛酸铅[Pb(Mg１／３Ｎｂ２／３)O3加入PZT，代号PCM]，中国制成的锑锰锆钛酸铅[Pb(Mn1/2Sb2/3)O3加入PIT代号PMS]等。 电介质的极化 压电晶体都是电介质，而且是各向异性电介质，因此压电晶体的介电性质与各向同性电介质的介电性质是不同的。 电介质在电场作用下要产生极化，极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。电场是极化的外因，极化的内因在于介质的内部，随着介质内部的微观过程的不同，极化的主要机理有三种[97]。 (1) 组成电介质的原子或离子，在电场 作用下，带正电荷的原子核与其壳层电子 的负电中心出现不重合，从而产生电偶极 矩，这种极化称为电子位移极化。 (2) 组成电介质的正负离子，在电场 作用下发生相对位移，从而产生电偶极 矩，这种极化称为离子位移极化。 (3) 组成电介质的分子是有极分子，具有一定的本征电矩，但由于热运动，取向是无序的，整个电介质的总电矩为零(图5.1)。当外电场作用时，这些电偶极矩将
压电效应原理及在陶瓷方面的应用
压电效应原理及在陶瓷方面的应用 粉体一班郭开旋1103011026 内容摘要：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是信息时代的新型材料压电陶瓷是功能陶瓷中的一种。关键词：压电效应、正压电效应、逆压电效应、原理、应用、陶瓷材料、压电陶瓷、铁电陶瓷、功能陶瓷、新型材料、电极化 一、压电效应的原理： 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的
应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 1.压电效应的发现 1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。1984年，德国物理学家沃德马·沃伊特（德语：Woldemar V oigt），推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。2.压电材料 压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。3.压电单晶体 压电单晶体大多数为铁晶体管。另外还包括石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等晶体。这些铁电晶体包括： 含氧八面体的铁晶体管，例如钛酸钡晶体、具有铌酸锂结构的铌酸锂、铌酸钽和具有钨青铜结构的铌酸锶钡晶体。 含有氢键的铁晶体管，例如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、和磷酸氢铅（及磷酸氘铅）晶体。 含层状结构的钛酸铋晶体等。 目前应用最广泛的非铁电性的石英压晶体管、铁典型压晶体管铌酸锂
压电效应及其原理
压电效应及其原理 压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 压电效应可分为正压电效应与逆压电效应。 正压电效应 就是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所 产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多就是利用正压电效应制成的。 逆压电效应 就是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声与超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体就是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形与长度变形压电效应。 两种压电效应的关系 可以证明,正压电效应与逆压电效应中的系数就是相等的,且具有正压电效的材料必然具有逆压电效应。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应,即电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变大小与电场平方成正比,与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在,不论就是非晶体物质,还就是晶体物质,不论就是中心对称性的晶体,还就是极性晶体。
压电效应
超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。 压电效应与反压电效应 什么是压电效应？正压电效应与逆压电效应的区别？ 压电效应定义一： 在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。与压电效应同时还能发生电致伸缩。 压电效应定义二： 不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。 什么是压电效应？ 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 正压电效应与逆压电效应的区别？ 正压电效应 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度
压电材料及其应用
压电材料及其应用 学院：材料学院 专业：材料科学与工程系班级：1019001 姓名：李耘飞 学号：1101900118
压电材料及其应用 李耘飞 材料科学与工程 1101900118 一、压电材料的定义 压电材料是指可以将压强、振动等应力应变迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变、振动等信号的机电耦合的功能材料。 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。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压,则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外,还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、压电材料的主要特性包括： （1）机电转换性能：应具有较大的压电系数； （2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有频率； （3）电性能：应具有高的电阻率和大的介电常数，以减小电荷泄漏并获得良好的低频特性（4）温度和湿度的稳定性要好。具有较高的居里点，以得到宽的工作温度范围 （5）时间稳定性：其电压特性应不随时间而蜕变。 压电材料的主要特性参数有：(1) 压电常数、(2) 弹性常数、 (3) 介电常数、(4) 机电耦合系数、(5) 电阻、 (6) 居里点。 三、压电材料的分类 压电材料可分为三类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和新型压电材料。其中压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷应用较普遍。 （1）压电晶体 1）石英晶体 石英晶体是典型的压电晶体，分为天然石英晶体和人工石英晶体，其化学成份是二氧化硅（SiO2），其压电常数d11=2.1×10-12C/N，压电常数虽小，但时间和温度稳定性极好，在20℃～200℃范围内，其压电系数几乎不变；达到573℃时，石英晶体就失去压电特性，该温度称为居里点，并无热释电性（了解更多）。另外，石英晶体的机械性能稳定，机械强度和机械品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；且绝缘性、重复性均好。 下面以石英晶体为例来说明压电晶体内部发生极化产生压电效应的物理过程。在一个晶体单元体中，有3个硅离子和6个氧离子，后者是成对的，构成六边的形状。在没有外力的作
(完整word版)压电陶瓷片的原理及特性
压电陶瓷片的原理及特性 压电效应具有可逆性：若在压电陶瓷片上施以音频电压，就能产生机械振动，发出声响；反之，压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。 目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感，所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。考虑到在低频下工作，仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，其外形与符号如图1所示。它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。D一般为 15~40mm，复合振动片的总厚度为h。 当压电材料—定时，谐振频率与h成正比，与(D/2)2成反比。谐振频率fo 与复合振动片的直径D呈指数关系，如图2(a)所示。显然D愈大，低频特性愈
好。压电陶瓷片作传声器使用时，工作频率约为300Hz~5kHz。压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比，由图2(b)可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。>压电陶瓷片的驱动 压电陶瓷片有两种驱动方式。第一种是自激振荡式驱动。其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。此时压电陶瓷片呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，因此亦称为电流驱动型。 第二种为他激振荡式驱动，利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于电压驱动式。其优点是音域较宽。音色较好。>压电陶瓷片的测试方法 1、电压测试法 在业余条件下，可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏，具体方法是：将万用表拨至2.5V直流电压档，左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面，右手持两支表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放在陶瓷表面上，如图1所示。然后左手拇指与食指稍用力压紧一下，随即放松，压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号，使指针先是向右捏一下，接着返回零位，又向左摆一下。摆动幅度约为0.1~0.15V。在压力相同的情况下，摆幅愈大，压电陶瓷片的灵敏度愈高。若表针不动，说明压电陶瓷片内部漏电或者破损。 交换两支表笔位置后重新试验，指针摆动顺序应为：向左摆->回零->向右摆->回零。 在意事项： ①如果用交流电压档，就观察不到指针摆动情况，这是由于所产生的电压信号变化较缓慢的缘故。 ②检查之前，首先用R×1k或R×10k档测量绝缘电阻，应为无穷大，否则证明漏电，压电陶瓷片受强烈震动而出现裂纹后，可用电烙铁在裂纹处薄薄地徐上一层焊锡，—般能继续使用。 ③检查时用力不宜过大、过猛，更不得弯折压电陶瓷片；勿使表笔头划伤陶瓷片，以免损坏片子。 ④若在压电陶片上一直加恒定的压力，由于电荷不断泄漏，指针摆动一下就会慢慢地回零。
论压电效应原理及在陶瓷材料方面的应用
论压电效应原理及在陶瓷材料方面的应用内容摘要:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，是信息时代的新型材料压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。 关键词:压电效应、正压电效应、逆压电效应、原理、应用、陶瓷材料、压电陶瓷、铁电陶瓷、功能陶瓷、新型材料、电极化。 在信息与科技迅速发展的时代，压电效应的原理无论是在科研方面还是在人们的日常生活中都有广泛的应用。 所谓压电效应的原理就是如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)。 具体的而言正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 而逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变 形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效
传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器重点
《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案 教材:传感器技术(第 3版贾伯年主编,及其他参考书 第 6章压电式传感器 6-1 何谓压电效应?何谓纵向压电效应和横向压电效应? 答:一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下,而且在机械力作用下,都会产生极化现象。且其电位移 D(在 MKS 单位制中即电荷密度σ 与外应力张量 T 成正比: D = dT 式中 d —压电常数矩阵。当外力消失,电介质又恢复不带电原状;当外力变向,电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应,或简称压电效应。 若对上述电介质施加电场作用时,同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形,且其应变 S 与外电场强度 E 成正比: S=dt E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应,或称电致伸缩。 6-2 压电材料的主要特性参数有哪些?试比较三类压电材料的应用特点。 答:主要特性:压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。 压电单晶:时间稳定性好,居里点高,在高温、强辐射条件下,仍具有良好的压电性,且机械性能,如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外, 还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。 压电陶瓷:压电常数大,灵敏度高,制造工艺成熟,成形工艺性好,成本低廉,利于广泛应用,还具有热释电性。 新型压电材料:既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器,又可用其半导体特性制作电子器件;也可以两者合一,集元件与线路于一体,
研制成新型集成压电传感器测试系统。 6-3 试述石英晶片切型(??+45/50yxlt 的含意。 6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度, 设计中常采用双晶片或多晶片组合, 试说明其组合的方式和适用场合。 答:(1并联:C ′=2C , q ′ =2q,U′ =U,因为输出电容大,输出电荷大,所以时间常数,适合于测量缓变信号,且以电荷作为输出的场合。 (2串联:q′ =q,U′ =U,C′ =C/2, 特点:输出电压大,本身电容小,适合于以电压作为输出信号,且测量电路输出阻抗很高的场合。 6-5 欲设计图 6-20所示三向压电加速度传感器, 用来测量 x 、 y 、 z 三正交方向的加速度, 拟选用三组双晶片组合 BaTiO 3压电陶瓷作压电组件。试问:应选用何种切型的晶片?又如何合理组合?并用图示意。 6-6 原理上, 压电式传感器不能用于静态测量, 但实用中, 压电式传感器可能用来测量准静态量, 为什么? 答:压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 -电转换的传感器,在拉力、压力和力矩测量场合, 通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。由于它刚度大,动态特性好;测量范围广,可测范围大;线性及稳定性高;可测单、多向力。当采用大时间常数的电荷放大器时,就可测准静态力。
压电效应原理及其运用
压电效应原理及其运用10印1 周文勇100210129 压电效应就是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电效应产生的根本原因是在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的一种现象。压电效应表明了石英晶体的力学性质和电学的耦合 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中也占有重要的地位。压电效应在生活中的运用十分广阔，比如我们常用的打火机就是运用压电效应来点火的。 压电效应的运用： 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。 测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。随着技术的发展，压电效应的运用在生活中运用越来越广泛。