壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件

第5章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應(yīng)1第二節(jié)壓電材料第三節(jié)壓電式傳感器的測量電路3第四節(jié)壓電式傳感器應(yīng)用42第5章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應(yīng)1第二節(jié)壓電材料第三節(jié)1概述壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。概述壓電式傳感器的工作原理是基于2壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件3壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ?具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-1所示。圖5-1壓電效應(yīng)可逆性具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相5壓電材料

壓電材料的主要特性參數(shù)有：（1）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)系到壓電輸出的靈敏度。（2）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。（3）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)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。(4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換壓電材料壓電材料的主要特性參數(shù)有：6輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）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。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。壓電材料輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方7壓電材料壓電材料可以分為兩大類壓電晶體——晶體壓電陶瓷——極化處理的多晶體石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，是較理想的壓電材料。壓電材料壓電材料可以分為兩大類8壓電材料一、石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)它的轉(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。壓電材料一、石英晶體9壓電材料（a）（b）（c）圖5-2石英晶體天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的壓電材料（a）10壓電材料天然結(jié)構(gòu)定義x：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。y：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。z：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電材料天然結(jié)構(gòu)定義11壓電材料若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-2（c）所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力

時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx，其大小為式中：——x方向受力的壓電系數(shù)；——作用力。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：壓電材料若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-2（c）所示晶片，12壓電材料式中：——y軸方向受力的壓電系數(shù)，

a、b——晶體切片長度和厚度。電荷Qx和Qy的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：壓電材料若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力，則仍13壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件14

未受外力作用時(shí),石英晶體正、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，電偶極矩為0,所以晶體表面不產(chǎn)生電荷,即呈中性。

當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí),晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)電荷重心不再重合,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷.當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),在x軸上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。

如果沿z軸方向施加作用力,因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同,所以正負(fù)電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力,晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。未受外力作用時(shí),石英晶體正、負(fù)離子正好分布在正六邊形15壓電材料二、壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使材料得到極化。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。如圖5-4。壓電材料二、壓電陶瓷16壓電材料當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：（a）未極化（b）電極化圖5-4壓電陶瓷的極化壓電材料當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)17壓電材料上式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F——作用力。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。壓電材料上式中：18壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件19◆最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低，最高只有70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英?！裟壳笆褂幂^多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列），它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度?！翕夋V酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。常用壓電材料的性能見書中表5-1。壓電材料◆最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸20壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。壓電材料受力變形，在表面產(chǎn)生電荷——正壓電效應(yīng)壓電材料通電壓，材料變形——逆壓電效應(yīng)壓電材料壓電晶體壓電陶瓷壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)21壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器是有源器件；聚集正負(fù)電荷的兩表面夠成電容。實(shí)際使用時(shí)還要考慮連接電纜的等效電容，后續(xù)電路中放大器的輸入電阻，輸入電容以及壓電傳感器的泄漏電阻。壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器是有源器件；聚集正負(fù)電荷的22壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的特點(diǎn)：高阻抗，低能量。接入高輸入阻抗前置放大器的作用：把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)。電壓放大器電荷放大器壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的特點(diǎn)：高阻抗，低能量。23壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式測力傳感器壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式測力傳感器24壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件25壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件26壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件27壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件28壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件29壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器30壓電式金屬加工切削力測量壓電式金屬加工切削力測量31壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器32第5章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應(yīng)1第二節(jié)壓電材料第三節(jié)壓電式傳感器的測量電路3第四節(jié)壓電式傳感器應(yīng)用42第5章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應(yīng)1第二節(jié)壓電材料第三節(jié)33概述壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。概述壓電式傳感器的工作原理是基于34壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件35壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ?6具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-1所示。圖5-1壓電效應(yīng)可逆性具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相37壓電材料

壓電材料的主要特性參數(shù)有：（1）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)系到壓電輸出的靈敏度。（2）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。（3）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)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。(4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換壓電材料壓電材料的主要特性參數(shù)有：38輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）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。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。壓電材料輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方39壓電材料壓電材料可以分為兩大類壓電晶體——晶體壓電陶瓷——極化處理的多晶體石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，是較理想的壓電材料。壓電材料壓電材料可以分為兩大類40壓電材料一、石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)它的轉(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。壓電材料一、石英晶體41壓電材料（a）（b）（c）圖5-2石英晶體天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的壓電材料（a）42壓電材料天然結(jié)構(gòu)定義x：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。y：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。z：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電材料天然結(jié)構(gòu)定義43壓電材料若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-2（c）所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力

時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx，其大小為式中：——x方向受力的壓電系數(shù)；——作用力。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：壓電材料若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-2（c）所示晶片，44壓電材料式中：——y軸方向受力的壓電系數(shù)，

a、b——晶體切片長度和厚度。電荷Qx和Qy的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：壓電材料若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力，則仍45壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件46

未受外力作用時(shí),石英晶體正、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，電偶極矩為0,所以晶體表面不產(chǎn)生電荷,即呈中性。

當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí),晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)電荷重心不再重合,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷.當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),在x軸上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。

如果沿z軸方向施加作用力,因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同,所以正負(fù)電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力,晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。未受外力作用時(shí),石英晶體正、負(fù)離子正好分布在正六邊形47壓電材料二、壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使材料得到極化。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。如圖5-4。壓電材料二、壓電陶瓷48壓電材料當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：（a）未極化（b）電極化圖5-4壓電陶瓷的極化壓電材料當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)49壓電材料上式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F——作用力。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。壓電材料上式中：50壓電陶瓷的壓電系數(shù)課件51◆最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低，最高只有