ch52 压电材料参数的测量.ppt

1、5-2 压电材料参数的测量,2-35,压电性质,压电材料 (piezoelectric material),受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。,居里兄弟 和压电效应,1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。,随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。,这类材料被广泛运用，举一个很生活化的例子，打火机的火花即运用此技术,3-35,正压电效应,对压电材料在一定方向上施加机械力使它变形时，就引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化，从而导致其两个相对表面(极化

2、面)上出现符号相反的束缚电荷Q，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比。,当外力消失，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（direct piezoelectric effect），或简称压电效应。,d压电常数矩阵,4-35,逆压电效应,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 。,这种现象称为逆压电效应(converse piezoelectric effect)，或称电致伸缩。,dt压电常数矩阵,5-35,晶体为压电体必须具备三个基本条件,其一，必须是

3、电介质；,其二，必须无对称中心；,其三，内部必须有正、负电荷中心。,基于此，人们预计晶体的三十二点群中有二十一种点群的晶体可能具有压电性。目前，已在除432点群外的其余二十种无对称中心的点群晶体中发现了压电性。,6-35,热释电性质,电介质材料因温度均匀变化而引起自发极化强度改变的物理现象称为热释电现象。,具有热释电性质的晶体称为热释电晶体。,其一是结构上无对称中心,其二是具有自发极化。,晶体具有热释电性质必须具备两个基本条件,热释电晶体是压电晶体的一个亚类。即：热释电体必定是压电体，但压电体未必是热释电体。,7-35,铁电性质,晶体在一定温度范围内存在自发极化、且自发极化方向可随外电场反向而

4、反向的物理现象称为晶体的铁电性。,具有铁电性的晶体称为铁电体,其一必定是热释电体；,其二是自发极化方向能随外电场反向而反向。,晶体具有铁电性必须具备两个基本条件,8-35,二.压电材料,压电晶体： 1）石英晶体(SiO2)； 2）其他压电单晶。,压电陶瓷 ： 1）一元系压电陶瓷； 2）二元系压电陶瓷； 3）三元系压电陶瓷； 4）四元系压电陶瓷。,新型压电材料： 1）压电半导体； 2）有机高分子压电材料。,锆钛酸铅 PbTiO3-PbZrO3(PZT),1965年问世的PCM，它由锆酸铅PbZrO3- 钛酸铅PbTiO3- 铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 三成分配比而成。,钛酸铅(Pb

5、TiO3)系压电磁；锆酸铅(PbZrO3)系压电瓷,9-35,压电晶体（石英晶体，SiO2）,石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573，晶体的结构为六角晶系的-石英。其外形如图所示，呈六角棱柱体。,天然石英晶体,人工石英晶体,右旋石英晶体理想外形,压电石英的主要性能特点是：(1) 压电常数小，时间和温度稳定性极好；(2) 机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；(3) 居里点573，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。,10-35,压电陶瓷 (BaTiO3),压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的

6、。,压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。,当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩。,11-35,压电陶瓷 的极化过程,压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶电介质。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成。,每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。,要使之具有压电性，必

7、须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列 。,极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性 。,12-35,压电陶瓷预极化的影响因素,极化电场是极化诸条件中的主要因素。极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。,在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列较易，极化效果好。常用压电陶瓷材料的极化温度通常取320-420K。,极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好。极化初期主要是180电畴的反转，以后的变化是90电畴的转向。90电畴转向由于内应力的阻碍而较难进行，因而适当延长极化时间，可提高

8、极化程度，一般极化时间从几分钟到几十分钟。,13-35,压电陶瓷 (BaTiO3)的优缺点,压电常数大，灵敏度高；,制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；,成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。,压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。,特点,作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。,缺 点,14-35,压电振子的振动模式,压电陶瓷材料通常做成振子来测量其参数；通过研究振子的谐振特性来研究压电陶瓷材料。,15-35,振子的振动方式称为振动模式,压电振子是最基

9、本的压电元件，它是指制备有电极的压电体，一般也称为压电谐振体。,压电振子在电场作用下，由于内部产生应力而形变，从而产生机械振动。,压电体的电能与机械能之间的转换（耦合）是就一定大小和形状的振子在特定条件下，借助于振动来完成的。,16-35,伸缩振动,长度伸缩振动模式,薄圆片径向伸缩振动模式,厚度伸缩振动模式,17-35,厚度切变振动模式,18-35,三 压电材料的应用,用于电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等； 用于水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等； 用于雷达中的陶瓷表面波器件； 用于导航中的压电加速度计和压电陀螺等； 用于通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等； 用于精密测量中的陶瓷压

10、力计、压电流量计、压电厚度计等； 用于红外技术中的陶瓷红外热电探测器； 用于超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器； 用于高压电源的陶瓷变压器。,19-35,三 压电材料的应用,换能器 （电声换能器、水声换能器和超声换能器等） 传感器 （压电式压力传感器、压电式加速度传感器） 超声波传感器 （在机器人接近觉中的应用）,20-35,压电振子的等效电路和谐振特性,当频率达到fm时，输出电流最大，振子的阻抗最小。fm称为压电振子的最小阻抗频率，或最大传输频率。,当频率继续增大到fn时，输出电流最小，振子的阻抗最大。fn称为最大阻抗频率，或最小传输频率。,当信号频率从低频向高频变化时，通过压电

11、振子的电流将随着输入信号的频率变化而变化。,21-35,继续增加输入信号的频率，将有规律的出现一系列的电流次最大值或次最小值。,22-35,压电振子的等效电路,L1为压电振子的动态电感，或等效电感；,C1为压电振子的动态电容，或等效电容；,R1为压电振子的动态电阻，或等效电阻；,L1、C1、R1不是电学量，而是力学量，只是为了研究问题的方便，把其模拟成电学量。,C0是电学量,23-35,根据谐振理论,继续增加输入信号的频率，将有规律的出现一系列的电流次最大值或次最小值。,在压电振子的最小阻抗频率fm附近，存在一个使信号电压和电流同相位的频率，此频率称为压电振子的谐振频率fr。,在压电振子的最大

12、阻抗频率fn附近，也存在一个使信号电压和电流同相位的频率，此频率称为压电振子的反谐振频率fa。,对应于fm1、fm2 、fm3 、还有fr1 、fr2 、fr3 、。通常把fr称为基音频率或基频，把fr1 、fr2 、fr3 、称为泛音频率。,24-35,压电振子机械损耗等于零,推导.,25-35,压电振子存在机械损耗(R10),M=Qm/，M为优值，Qm为机械品质因数，为电容比。,26-35,当机械品质因数Qm较大（或R1）较小时，其偏差很小，可以忽略不计。可见书中的例子。,由于R1的存在，引起了fm、fs、fr之间以及fn、fp、fa之间的偏差。,27-35,“谐振-反谐振”的测量方法1

13、简单传输法,信号发生器必须具有足够宽的频率范围，输出电平稳定，高于测量串联谐振频率所要求的精度，其谐波分量要小，并具有一定的输出功率。,检测仪器要求有高的输入阻抗，性能稳定，灵敏度高，其工作频率范围应高于所测信号频率。,频率计应具有高输入阻抗，且远大于信号发生器的输出阻抗，以免影响其输出电平。而且频率计的测量精度应高于所要求的测量误差。,28-35,当改变信号发生器的频率f时，压电振子的阻抗随之发生变化，因而回路中的电流也要发生变化。RT两端的电压VR也随着电流的变化而变化。,当振子阻抗最小时，回路中的电流出现最大值，相应的VR也是最大值；当振子阻抗最大时，回路中的电流出现最小值，相应的VR变

14、为最小值。,根据检测仪器可确定回路中电流出现最大值和最小值时的频率，其频率值可由频率计准确读出，从而确定压电振子的最小阻抗频率fm和最大阻抗频率fn。,29-35,简单传输法的缺点,输出电压随频率变化而改变。当信号发生器的频率从fm变到fn时，振子的阻抗由最小值变到最大值，阻抗变化太大，不可能保持信号发生器输出电压的电平保持不变。,线路中的杂散电容以及频率计、检测仪器的输入阻抗的分路作用，将直接影响的fm、fn测量准确度，使测量误差增大。,30-35,型网络传输法,型网络传输法,简单传输法,Ri,RT,RT,Ri10RT, RTRT, RTR1,31-35,型网络传输法,Ri,RT,RT,Ri

15、10RT,当RT与振子并联时，振子阻抗虽然随频率变化大，但并联后的总阻抗随频率变化却很小，相对于信号发生器的负载变化不大，因而信号发生器的输出电压变化不大。,选择(Ri+RT)等于信号发生器的输出阻抗，以便与信号发生器相匹配，从而减小谐波分量，使得信号发生器的输出功率达到最大。,当RT 很小时， RT 可以隔离信号发生器的输出阻抗和频率计的输入阻抗对振子的影响，提高fm、fn的测量精度。,32-35,RT的选择,Ri,RT,RT,RT大，谐振曲线变平坦，使谐振指示不明显，灵敏度降低，测量误差增大，所以RT应越小越好。,振子阻抗的大小是通过RT上的压降反映到电压表中，为了灵敏的反映这个变化， RT又应适当选择大一些。,兼顾两者的要求，通常选择RT为几十欧姆。,33-35,等效电阻R1的测量电阻代替法（常用方法）,适用于C0之路的阻抗很大的情况，此时C0的分流作用很小,当信号频率等于fs时，出现串联谐振，L1C1支路呈现纯电阻R1。,通过开关用一电阻箱代替振子，调节电阻箱的电阻，使电压表指示与串联谐振时相同，此时电阻箱的指示即为R1。,34-35,等效电阻R1的测量并联电容法（精确方法）,通过电容电桥测出C0