1、壓電效應和壓電材料介紹2某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，同時其內部產生極化現象，此時在這種材料的兩個表面產生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態，這種現象被稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現象稱為“正壓電效應”或“順壓電效應”。5.1.1 壓電效應3反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。這種電能轉化為機械能的現象稱為“逆壓電效應”。壓電效應的可逆性 逆壓電效應電能機械能正壓電效應4電致收縮效應電介質在電場作用下，會由于極化而引起

2、與電場方向無關的的變形現象，與逆壓電效應都是將電能轉化為機械能的效應。兩者區別在于：電致收縮效應與電場方向無關，其形變與電場強度平方成正比；而逆壓電效應與電場方向有關，其形變與電場強度成正比，當外加電場反向時，產生形變也反向。5壓電材料的分類5.1.2 壓電材料 壓電半導體 有機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: 壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電輸出靈敏度。 1、壓電材料的主要特性參數 介電常數: 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關 彈性常數: 壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。7 機械耦合系數

3、：轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）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。 居里點溫度: 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。 82、壓電晶體 優點： 轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態特性好、工作溫度高達550（壓電系數不隨溫度而改變）、工作濕度高達100%、穩定性好。石英晶體化學式為SiO2，是單晶體結構壓電系數d112.3110-12 C/N；機械強度與品質因素高；居里點為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。優點：壓電靈敏度較高，高溫強輻射條件下工作性能穩定缺點：易于受潮，質地脆，機械強度低，電阻也較低水溶性壓電晶體 113、常見壓電陶瓷 ：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時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，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續工作，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，又具有半導體特性。有機高分子壓電材料 一類是高分子聚合物 聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯 優點：質地柔軟，抗拉強度高，耐沖擊 另一類是高分子化合物中摻雜鈦酸鋇(BaTiO3)131. 石英晶體的結構X軸：電軸或1軸；Y軸：機械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸。 縱向壓電效應：沿電軸（X軸）方向的力作用下產生電荷橫向壓電效應：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產生電荷在光軸（Z軸）方向時則不產生壓電效應。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、正常情況下呈現電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為縱向壓電效應，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為橫向壓電效應，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產生壓電效應。沿相對兩棱加力時，則產生切向效應。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。 1516d11壓電系數（C/N） 作用力是沿著機械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面此時，晶體切片當沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面上產生電荷 17石英晶體具有壓電效應，是由其內部分子結構決定的。下圖是一個單元組體中構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. 石英晶體產生壓電效應的微觀機理18硅氧離子的排列示意圖x(a)xy(b)+y+-19當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 如圖所示。 因為P = qL（q為電荷量，L為正負電荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶體表面不產生電荷，呈電中性。2021當晶體受到沿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軸的正向出現負電荷，在y、z方向依然不出現電荷。當晶體

8、受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用時，其變化情況如圖所示。電偶極矩P1增大， P2、 P3減小，此時它們在x、y、z三個方向上的分量為(P1+P2+P3)x1，則令60式中- 測量回路固有頻率12361結論（1）當作用于壓電元件的力為靜態力（=0）時，前置放大器的輸出電壓等于零，因為電荷會通過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力的測量。 (2)當 ，前置放大器輸入電壓Uim隨頻率變化不大（3）當 ，可近似看作放大器輸入電壓與作用力的頻率無關，說明壓電傳感器高頻響應特性好，即輸出電壓不受頻率限制，適合于高頻交變力的測量。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，否則會降低電壓靈敏度；不能隨意改變引線電纜長度，否則電壓靈敏度也會改變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，還與連接電纜等分布參數如CC有關，所以系統的互換性不好，采用電荷放大器就可以較好地解決這個問題。電荷放大器實際上是一個具有深度負反饋的高增益運算放大器。 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，由一個反饋電容CF和高增益運算放大器構成。由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯電阻。 65由運算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓 通常A=104-1

10、08，因此,當滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時，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無關，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的最大特點。在實際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100-104pF。 675.3 壓電式傳感器的應用 壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 壓力式單向測力傳感器結構圖 壓電式測力傳感器68傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1-0.5mm，當外力作用時，它將產生彈性變形，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，通過d11實現力電轉換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測力范圍為0-5000N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為50-60 kHz，整個傳感器重為10 g。 典型應用：機床動態切削力的測量。 69壓電式刀具切削力測量示意圖 70圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結構圖 壓電式加速度傳感器71當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，F=ma式中：F質量塊產生的慣性力;m質量塊的質量 a加

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

13、個壓電片上所產生的電荷q為即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強P成正比。75壓電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結構圖鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環當交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，陶瓷片會在電極方向產生周期性的伸長和縮短 。76當一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應，壓電陶瓷上將出現充、放電現象，即將聲頻信號轉換成了交變電信號。這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器。如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發射或接收的聲頻信號即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。77壓電式流量計流量顯示輸出信號換能器換能器接收接收發射發射壓電超聲換能器每隔一段時間(如1/100s)發射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發射和接收的相位差與流速成正比。 壓電式流量計78壓電式傳感器在測漏中的應用ABO點LALB地 面L如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發生漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發出的振動信號所用時間差可計算出LA或LB。79兩者時間差為t= tA-tB=（LA - LB ）/v又L=LA