压电效应及压电材

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1、第一节压电效应及压电材料第二节压电传感器的等效电路及测量电路第三节压电传感器的应用第六章压电式传感器第一节压电效应及压电材料一、压电效应顺压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能顺压电效应逆压电效应压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数

2、有：①压电常数②弹性常数③介电常数二、压电材料压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。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。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，这是衡量压电材料机—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居里点温度它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。（一）石英晶体（SiO2）在20℃～200℃范围内，

3、温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。石英在高温下相对介电常数的温度特性石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃6543210100200300400500600t/℃相对介电常数ε居里点（二）压电陶瓷1、钛酸钡压电陶瓷介电常数、压电系数大（约为石英晶体的50倍）；居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）

4、比钛酸钡压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。=BaCO3+TiO2=PbTiO3+PbZrO3三、石英晶体（SiO2）的压电效应ZXYZYX纵向轴Z－Z称为光轴经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴1、石英晶体产生压电效应原因YXXY++---+当作用力F=0时，正、负离子（即Si

5、4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的电偶极矩P1、P2、P3，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0Y+++---XP1P2P3当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为：(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0++++－－－－XY+++---P1P2P3FXFX在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3

6、）Y=0（P1+P2+P3）Z=0Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FXFX当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。FY＞0(P1+P2+P3)X>0X轴的正向:正电荷Y、Z轴方向无电荷++++－－－－XY+++---P1P2P3FYFY与沿X方向施压力（FX<0）作用相同FY<0(P1+P2+P3)X<0X轴的正向：负电荷Y、Z轴方向无电荷Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FY

7、FY与沿X方向施拉力（FX＞0）作用相同这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。2、纵向压电效应式中,d11为x方向受力的压电系数d11=2.31×10-12C/NFX为作用力FXFX++++－－－－－－－－++++XX3、横向压电效应式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有d12=-d11；++++－－－－++++－－－－FYXFYX四、陶瓷的压电效应无外电场作用时施加外电场时外电场去掉后－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极＋＋＋＋＋极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度这种由

8、机械效应转