ch5.2 压电材料参数的测量.ppt

§5-2 压电材料参数的测量 压电性质 正压电效应 逆压电效应 晶体为压电体必须具备三个基本条件 热释电性质 铁电性质 二.压电材料 压电晶体（石英晶体，SiO2） 压电陶瓷 (BaTiO3) 压电陶瓷 的极化过程 压电陶瓷预极化的影响因素 压电陶瓷 (BaTiO3)的优缺点 压电振子的振动模式 伸缩振动 厚度切变振动模式 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。 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） 压电振子的等效电路和谐振特性 压电振子的等效电路 根据谐振理论 压电振子机械损耗等于零 压电振子存在机械损耗(R1≠0) “谐振-反谐振”的测量方法1 简单传输法 简单传输法的缺点 π型网络传输法 π型网络传输法 RT的选择 等效电阻R1的测量电阻代替法（常用方法） 等效电阻R1的测量并联电容法（精确方法） 等效电阻R1的测量并联电感法（精确方法） Ri RT’ RT Ri≥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。 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。 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。 * * 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 F F 极化面 Q 压电介质 机械能 ｛ 电能 ｝ 正压电效应 逆压电效应 压电效应及可逆性 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σ)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 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 其一，必须是电介质； 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。 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。 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；