压电效应论文

中中南南大大学学 材材料料科科学学与与工工程程学学院院 课课程程设设计计论论文文 题题 目 压电效应简析目 压电效应简析 专专 业 材料加工业 材料加工 班班 级 级 1010 姓姓 名 商伦阳名 商伦阳 学学 号 号 0607101031 指导指导教师 余琨教师 余琨 二二 一二一二 年年 十一十一 月月 压电效应简析压电效应简析 一 压电效应 一 压电效应 piezoelectric effect 概述 概述 1 1 压电效应压电效应的定义的定义 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 压电效应压电效应分类分类 压电效应分为正压电效应和负压电效应 正压电效应 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 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 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 压电晶体二 压电晶体 2 1 什么是压电晶体 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 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 具有压电效应的晶体具有压电效应的晶体不具有压电效应的晶体不具有压电效应的晶体 电效应 2 3 压电晶体的功能 压电晶体的功能 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 2 4 常见压电晶体材料 常见压电晶体材料 闪锌矿 zincblende 钠氯酸盐 sodiumchlorate 电气石 tourmaline 石英 quartz 酒石酸 tartaricacid 蔗糖 canesuger 方硼石 boracite 异极矿 calamine 黄晶 topaz 及若歇尔盐 Rochellesalt 这些晶体都 具有非晶方性 anisotropic 结构 晶方性 isotropic 材料是不会产 生压电性的 2 5 压电晶体的常见应用 压电晶体的常见应用 1 压电陶瓷 压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种 日常生活中很多 人使用的 电子打火机 和煤气灶上的电子点火器 就是压电陶瓷的一种应用 点火器就是利用压电陶瓷的压电特性 向其上施加力 使之产生十几kV的高电 压 从而产生火花放电 达到点火的目的 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 它是能够将机械能和电能互相转换的功能陶 瓷材料 它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的 差 不多十年之后 贾菲 Jaffe 等又发现PbTi03 PbZrO2系 即所谓PZT系 及 后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷 使压电陶瓷 的性能和可应用性有了极大的提高 特别是三元系压电陶瓷的出现 使压电陶 瓷在选择一定耦合系数 温度特性方面有了较大的余地 能满足多种电子仪器 的要求 从而使压电陶瓷的应用范围大大增加了 例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频 器 电声换能器 水声换能器 声表的波器件 电光器件 红外探测器件和压 电陀螺等 都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用 2 压电性特异的多元单晶压电体 传统的压电陶瓷较其它类型的压电 材料压电效应要强 从而得到了广泛应用 但作为大应边 高能换能材料 传 统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求 于是近几年来 人们为了研究出具有 更优异压电性的新压电材料 做了大量工作 现已发现并研制出了 Pb A1 3B2 3 PbTiO3 单晶 A Zn2 Mg2 这类单晶的 d33 最高可达 2600pc N 压电陶瓷 d33 最大为 850pc N k33 可高达 0 95 压电陶瓷 K33 最 高达 0 8 其应变 1 7 几乎比压电陶瓷应变高一个数量级 储能密度高达 130J kg 而压电陶瓷储能密度在 10J kg 以内 铁电压电学者们称这类材料的 出现是压电材料发展的又一次飞跃 现在美国 日本 俄罗斯和中国已开始进 行这类材料的生产工艺研究 它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞 速发展 2 6 压电材料应用举例 压电材料应用举例 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 3 传感器上的应用 压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的 压电式压 力传感器的基本结构如右图所示 由于压电材料的电荷量是一定的 所以在连 接时要特别注意 避免漏电 压电式压力传感器的优点是具有自生信号 输出信号大 较高的频率响应 体积小 结构坚固 其缺点是只能用于动能测量 需要特殊电缆 在受到突然 振动或过大压力时 自我恢复较慢 压电式加速度传感器 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 4 在机器人接近觉中的应用 超声波传感器 机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个 其一 在接触对象物体之 前 获得必要的信息 为下一步运动做好准备工作 其二 探测机器人手和足 的运动空间中有无障碍物 如发现有障碍 则及时采取一定措施 避免发生碰 撞 其三 为获取对象物体表面形状的大致信息 超声波是人耳听不见的一种机械波 频率在 20KHZ 以上 人耳能听到的 声音 振动频率范围只是 20HZ 20000HZ 超声波因其波长较短 绕射小 而能成为声波射线并定向传播 机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围 物体的存在与测量物体的距离 一般用来探测周围环境中较大的物体 不能测 量距离小于 30mm 的物体 超声传感器包括超声发射器 超声接受器 定时电路和控制电路四个主要 部分 它的工作原理大致是这样的 首先由超声发射器向被测物体方向发射脉 冲式的超声波 发射器发出一连串超声波后即自行关闭 停止发射 同时超声 接受器开始检测回声信号 定时电路也开始计时 当超声波遇到物体后 就被