85压电性能及其应用精品PPT课件
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有机压电材料及应用.ppt
1969年，Kawai发现了聚偏氟乙烯(简称PVDF)具有极强的压电效应，继而 出现了以聚偏氟乙烯为代表的压电高聚物的研究热潮，现在研究已从均 聚物扩大到共聚物、共混物和复合物，从结晶高聚物的压电性扩大到非 晶高聚物的压电性。PVDF家族压电铁电效应的发现被认为是有机换能器 领域发展的里程碑。
PVDF聚偏氟乙烯，分子式为—(CH2-CF2)n—，外观为半透明状。分子链间排列紧 密，又有较强的氢键，含氧指数为46%，不燃，结晶度65%~78%，密度 1.17~1.79g/cm3 , 熔点为172℃,热变形温度112~145℃,长期使用温度为40~150℃。
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、 易加工成型 加工尺寸局限 机械品质因子低、 机械品质因子高、 电损耗大、稳定性差 稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
大功率换能器和宽带 滤波器
标准频率控制的振子、高频、 高温超声换能器等
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
有机压电材料及应用
压电效应
当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，引起它内部正 负电荷中心相对转移而产生极化现象，其表面上会产生电荷；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应
压电材料分类
压电材料分类 无机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 有机压电材料
通压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器
分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜， 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视 机的新感觉遥控器。
PVDF聚偏氟乙烯，分子式为—(CH2-CF2)n—，外观为半透明状。分子链间排列紧 密，又有较强的氢键，含氧指数为46%，不燃，结晶度65%~78%，密度 1.17~1.79g/cm3 , 熔点为172℃,热变形温度112~145℃,长期使用温度为40~150℃。
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、 易加工成型 加工尺寸局限 机械品质因子低、 机械品质因子高、 电损耗大、稳定性差 稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
大功率换能器和宽带 滤波器
标准频率控制的振子、高频、 高温超声换能器等
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
有机压电材料及应用
压电效应
当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，引起它内部正 负电荷中心相对转移而产生极化现象，其表面上会产生电荷；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应
压电材料分类
压电材料分类 无机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 有机压电材料
通压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器
分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜， 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视 机的新感觉遥控器。
压电驱动技术及压电驱动器的应用研究PPT
06
CHAPTER
压电驱动技术的前沿研究动 态
高性能压电材料的研究进展
高性能压电陶瓷材料
研究具有高机电耦合系数、低介电损耗的压电陶瓷材料，提高驱 动器的转换效率。
压电复合材料
利用不同材料的组合，发挥各自优点，提高压电材料的综合性能。
无铅压电材料
开发环保型的无铅压电材料，替代传统含铅材料，降低环境污染。
智能传感器
利用压电驱动技术实现传感器的高灵敏度、快速响应和低 能耗。
精密定位与微动系统
利用压电驱动器实现高精度定位和微动，应用于微纳制造、 生物医疗等领域。
环境感知与自适应控制
研究基于压电驱动技术的环境感知系统，实现自适应调节 和控制。
THANKS
谢谢
05
CHAPTER
压电驱动技术的实验研究
实验设备与方法
1 2
压电陶瓷
选用高性能的PZT-5A型压电陶瓷作为驱动元件， 其具有较高的机电耦合系数和良好的稳定性能。
驱动器设计
根据实际需求，设计不同规格和形状的压电驱动 器，如直线型、弯曲型和振动型等。
3பைடு நூலகம்
实验平台搭建
搭建实验平台，包括电源、信号发生器、数据采 集与处理系统等，用于测试压电驱动器的性能。
拓展应用领域
医疗领域
利用压电驱动器的小型化和精确 控制特性，开发用于医疗设备的 精密驱动器，如手术机器人和微
型植入物。
微纳制造领域
利用压电驱动器的快速响应和高精 度特性，在微纳制造领域实现高精 度的定位、装配和加工。
航空航天领域
在航空航天领域，利用压电驱动器 的轻量化和高可靠性特性，开发用 于飞行器的高效、轻量化的驱动系 统。
压电驱动器能够实现高精度的振动控制和声波调制，被广泛应用于无损检测、噪 声控制、地震探测等领域。
压电材料最终版资料课件
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，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。 压电晶体一般指压电 单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
压电陶瓷-高聚物复合材料
• 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。
32
28
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，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。 压电晶体一般指压电 单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
压电陶瓷-高聚物复合材料
• 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。
32
28
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
压电原理及材料PPT课件
压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈 电容有关，电缆长度等因素的影响很小：
q uo Cf
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换 为电压（q/U转换器），但并无放大电荷的作 用，只是一种习惯叫法。
2019/4/4 37
四通道电荷放大器外形
.
2019/4/4
38
上图所示的四通道电荷放大器指标
2019/4/4
实际电荷源
34
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 压电效应产生的电荷量很小，达到pA 级电流。因 此在接成电荷输出型测量电路时，也要求前置放大 器不仅有足够的放大倍数，而且还需要有极高的输 入阻抗。
2019/4/4
35
2019/4/4
电 荷 源 测 量 电 路
（ 电 荷 放 大 器 36 ）
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电路中 工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从 而产生稳定的振荡输出 频率。
• 石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形 排列。 • 定性分析： 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩，且三个电偶极矩的矢量和为0。
2019/4/4
32
第二节 压电传感器的测量转换电路
等效电路： 压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器；
压电器件从性质上讲，是一个有源电容器。
(完整PPT)第六章铁电性能和压电性能_材料物理(1)
结晶化学分类法： 软铁电体 硬铁电体
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
含氢键的晶体（KDP、RS）和双氧化物晶体（BT、PT、LN） 按极化轴数目分类：
单轴铁电体（RS、KDP、LN）和多轴铁电体（BT） 按原型相有无对称中心分类：
压电性铁电体（KDP、RS）和非压电性铁电体（BT） 按铁电相变时原子运动特点分类：
有序－无序型相变的（RS）和位移型相变的（BT、PT、LN） 按居里－外斯常数C的大小分类：
二、BaTiO3自发极化的微观机理 1. BaTiO3的晶体结构
有氧八面体 骨 架 的 ABO3 晶格
BaTiO3的晶体结构
钙钛矿结构
2. BaTiO3的相变
顺电态
Tc 居里温度
铁电态
120°C
5°C
-80°C
立方晶系 四方晶系 斜方晶系
菱形结构
无自发极化 自发极化沿c轴 自发极化沿 自发极化沿
Ps－饱和极化强度 Pr－剩余极化强度（remanent
polarization） Ec－矫顽场强（corcive field）
~2KV/cm －~120KV/cm
按照Ec大小可将铁电体分为： 软铁电体－小Ec 硬铁电体－大Ec
电滞回线是铁电体的重要物理特征之一，也是判别铁电性的 一个重要判据。
3. 铁电体的分类
如: 在钙钛矿结构中，自发极 化起因于[BO6]中中心离子的 位移
[BO6]氧八面体
2. 铁电体的概念
铁电体是在一定温度范围内具有自发极化（必要条件） ，并且极化方向可随外加电场做可逆转动的晶体。
铁电体一定是极性晶体，但自发极化转动的晶体仅发生在某些特殊结 构晶体当中，在自发极化转向时，结构不发生大的畸变。
质
加电场E 成正比。
8.5-压电性能及其应用PPT课件
经软性取代改性后的PZT瓷性能有如下变化： 矫顽场强EC减小↓，机械品质因数Qm减小↓； 介电常数ε增加↑， 介电损耗tanδ增加↑,机电耦合系数KP增加↑, 抗老化性增加，绝缘电阻率ρ增加↑ 。
.
wzhuo
44
2.2 其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软 性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后：
.
wzhuo
20
基本介电关系
电位移矢量与电场强度和电极化强度之间的关系为:
D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
.
wzhuo
21
d33是压电介质把机械能（或电能）转换为电 能（或机械能）的比例常数。
逆压电效应d33的简化矩阵表示为
（二阶张量）
.
wzhuo
18
压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加
压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有
以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指
电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。
.
wzhuo
29
Kt Kp
K33
K15
K31
.
wzhuo
30
8.5.3 机械品质因数Qm
：压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需 要消耗能量。
：机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的 一个参数。
：Qm越大，能量消耗越小。
.
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.
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44
2.2 其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软 性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后：
.
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基本介电关系
电位移矢量与电场强度和电极化强度之间的关系为:
D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
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d33是压电介质把机械能（或电能）转换为电 能（或机械能）的比例常数。
逆压电效应d33的简化矩阵表示为
（二阶张量）
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压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加
压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有
以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指
电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。
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Kt Kp
K33
K15
K31
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8.5.3 机械品质因数Qm
：压电陶瓷在振动时，为了克服内摩擦需 要消耗能量。
：机械品质因数Qm是反映能量消耗大小的 一个参数。
：Qm越大，能量消耗越小。
.
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8.5 压电性能及其应用
2012-4-19 wzhuo 44
2.2 其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软
性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后：
v
综合考虑，它们之间互有影响，应通过 实验最终确定最佳极化工艺参数。
2012-4-19
wzhuo
39
8.5.5 压电材料与应用
（自学）
2012-4-19
wzhuo
40
一元系压电陶瓷
BaTiO3陶瓷
工作温区窄 Tc=120℃ 热稳定性差
PbTiO3陶瓷
工作温区宽 Tc=490℃ 热稳定性好
易极化
Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏· 米/牛) 工艺性好
wzhuo
18
压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加 压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有 以下关系式：
D3 d 33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指 电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D 3为电位移。
2012-4-19 wzhuo 19
因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径 相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1x)O3，简称PZT瓷。
2012-4-19 wzhuo 42
在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多。 由于相界处PZT瓷的Tc高(360℃)，因而在200℃以内,KP和 ε都很稳定，是理想的压电材料。 PZT陶瓷的掺杂改性 为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的 PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的 Pb2+离子或B位的Zr4+, T i 4+离子，从而改进材料的性能。
2.2 其它取代改性 非软非硬添加剂如Ce4+、Cr3+和Si4+等，兼具软
性和硬性的特征。 在PZT陶瓷中加入 CeO2后：
v
综合考虑，它们之间互有影响，应通过 实验最终确定最佳极化工艺参数。
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8.5.5 压电材料与应用
（自学）
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一元系压电陶瓷
BaTiO3陶瓷
工作温区窄 Tc=120℃ 热稳定性差
PbTiO3陶瓷
工作温区宽 Tc=490℃ 热稳定性好
易极化
Kp =0.354 d33=191(10-12库/牛) g33=11.4(10-3伏· 米/牛) 工艺性好
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压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加 压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有 以下关系式：
D3 d 33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指 电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D 3为电位移。
2012-4-19 wzhuo 19
因此，PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径 相近，故两者可形成无限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1x)O3，简称PZT瓷。
2012-4-19 wzhuo 42
在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多。 由于相界处PZT瓷的Tc高(360℃)，因而在200℃以内,KP和 ε都很稳定，是理想的压电材料。 PZT陶瓷的掺杂改性 为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的 PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的 Pb2+离子或B位的Zr4+, T i 4+离子，从而改进材料的性能。
压电应用ppt课件
2018/10/29 9
2．压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护等）
将长的压电电缆埋在
泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内 探测人的步行, 对轮式或履
带式车辆也可以通过信号
处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。
2018/10/29 10
3.交通监测
20
压电式振动加速度传感器的结构及外形
横向振动 测振器
纵向振动 测振器
2018/10/29
21
压电振动加速度传感器的性能指标
（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）
技术指标： 灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4-4000Hz 安装谐振点:15kHz 分辨力：0.00004g 重量：40g 安装螺纹：M5 mm 线性：≤1%
2018/10/29
14
2018/10/29
15
七、振动的测量
物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。
频率是分析振动的最重要内容之一。 振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用 x
表示，单位为mm；
振动的速度用v表示，单位为m/s； 加速度用a表示，单位为m/s2或g。
2018/10/29 16
根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。
2018/10/29 12
五、压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置
2018/10/29 13
六、海啸预警系统
地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移 动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生 巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时， 海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。 海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。 海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海 浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送 到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。
2．压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护等）
将长的压电电缆埋在
泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内 探测人的步行, 对轮式或履
带式车辆也可以通过信号
处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。
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3.交通监测
20
压电式振动加速度传感器的结构及外形
横向振动 测振器
纵向振动 测振器
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21
压电振动加速度传感器的性能指标
（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）
技术指标： 灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4-4000Hz 安装谐振点:15kHz 分辨力：0.00004g 重量：40g 安装螺纹：M5 mm 线性：≤1%
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2018/10/29
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七、振动的测量
物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。
频率是分析振动的最重要内容之一。 振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用 x
表示，单位为mm；
振动的速度用v表示，单位为m/s； 加速度用a表示，单位为m/s2或g。
2018/10/29 16
根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。
2018/10/29 12
五、压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置
2018/10/29 13
六、海啸预警系统
地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移 动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生 巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时， 海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。 海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。 海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海 浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送 到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。
压电材料、原理、应用精讲(课堂PPT)
C1为压电振子的谐振电容
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4、频率常数N
对某一压电振子，其谐振频率和振子振动方向长度的 乘积为一个常数，即频率常数N。
其中：
N=fr×l
fr为压电振子的谐振频率；
l为压电振子振动方向的长度。
薄圆片径向振动 薄板厚度伸缩振动 细长棒K33振动 薄板切变K15振动
Np=fr×D Nt=fr×t N33=fr×l N15=fr×lt
逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产 生与电场强度成比例的变形或机械应力。当外加电场撤 去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机 械能的现象称为“逆压电效应”。
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力
自由电荷
极化方向
+++++++ 极化方向
－－－－－－－
正压电效应 释放电荷
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逆压电效应
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2、机电耦合系数Kp
机电耦合系数K是一个综合反映压电陶瓷的机械能与电能之间耦合关系
的物理量，是压电材料进行机—电能量转换能力的反映。机电耦合系数
的定义是：
或
K2
通过逆压电效应得 转的 换机 所械能
转换时输入的总电能
K2
通过正压电效应转得换的所电能 转换时输入的总机械能
压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电极的压电陶瓷体）
z
生的形变完全相同，所以正负
电荷重心保持重合，电偶极矩 矢量和等于零。
O y
这表明沿z轴方向施加作用力， x 晶体不会产生压电效应。
dz=0
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材料的压电性与铁电性能.ppt
•电磁波无法穿越海水 •声波很容易在海里行进
继承人：蓝杰文 (ngevin)
利用石英的压电效应 制成水下超声探测器
如今：
•声纳 •反潜 •海底通讯 •电话通讯 •医学诊断：超声波成像术、全像摄影术、
计算机辅助声波断层摄影术
材料的压电性能与铁电性能
第一节 压电性能
一、压电效应的基本原理
(1) 不具有自发极化特性，但为不对称中心结构，在外力的 作用下，产生极化。
正压电效应
逆压电效应
－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++
释放电荷
－－－－－－－－－－－－－
+++++
极化方向
－－－－－
+++++++++++++
材料的压电性能与铁电性能
二、压电性能的主要参数
1、介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）即：
D ijE
不同机械条件时，测得的介电常数不同。
①当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这 种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
②相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
材料的压电性能与铁电性能
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电 能量的相互转换。
tan IR / IC 1 / (CR)
式中：ω为交变电场的角频率； C为介质电容； R为损耗电阻；
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电极化的一个分量因该由压电常数的九个 分量来表述（三阶张量），如：
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经过座标变换可以简化为压电常数由六个
分量来描述（二阶张量） 即正压电效应
中压电常数d33的简化矩阵 表示（二阶张
量）
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逆压电效应 电--机转换
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电极化的一个分量将由压电常数的九个分 量来表述（二阶张量）
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压电常数d33的简化矩阵表示
（二阶张量）
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压电效应的矩阵表示为：
：{Di} = [dij] {Tj}
(8-5-4)
：{Sj} = [dij]T {Ei} (8-5-4)
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离子电荷的位移
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产生压电效应的必要条件
：产生压电效应的必要条件是： ：晶体的非中心对称性 ：晶体没有对称中心
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电介质材料分类
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压电-热释电-铁电与 点群中的对称中心
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：今天 ：氧化铅含量高达68-70％的PZT-钛
酸锆酸铅仍在大量使用。
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8.5.1 压电效应（P.350）
压电效应产生的根源是晶体中离子电荷的位 移，当不存在应变时电荷在晶格位置上分布 是对称的，所以其内部电场为零。 但当给晶体施加应力则电荷发生位移， 如果电荷分布不再保持对称就会出现净极 化，并将伴随产生一个电场，这个电场就表 现为压电效应。见（P.350）图8-5-1
： 如对薄圆片径向伸缩模式的耦合系数为Kp（平面耦 合系数）；
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正压电效应 机--电转换
：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚 电荷，
：其电荷密度大小与施加外力大小成线性关 系，
：这种由机械效应转换成电效应的过程称为
正压电效应。
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8.5.2 压电性表征（P.351）
8.5.2.1 压电常数d
：压电常数是反映力学量（应力或应变） 与电学量（电位移或电场）间相互耦合 的线性响应系数。
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机电耦转换时输入的总电能
或
通过正压电效应转换所 得的电能 K2
转换时输入的总机械能
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机械能与压电振子形状和振动模式有关
： 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电 极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有 关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。
• 晶体在受到外电场激励下产生形变，且 二者之间呈线性关系，这种由电效应转 换成机械效应的过程称为逆压电效应。
：力→形变→电压 ：电压→形变
正压电效应 逆压电效应
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逆压电效应d33的简化矩阵表示为
（二阶张量）
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压电常数之d33
当沿压电陶瓷的极化方向（z轴）施加
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d33是压电介质把机械能（或电能）转换为电 能（或机械能）的比例常数。
d33反映了应力（T）、应变（S）、电场（E） 或电位移（D）之间的联系，
直接反映了材料机电性能的耦合关系和压电效 应的强弱，从而引出了压电方程。
常见的压电常数有四种：dij、gij、 eij、 hij。
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在1950年后，发现了压电PZT(钛酸锆酸铅)体系， 具有非常强和稳定的压电效应，具有重大实际意义 的进展。
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压电材料的发展及其应用
在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶 瓷具有优良的性能，已经用来制造滤波器、 换能器、变压器等。 随着电子工业的发展，对压电材料与器件 的要求就越来越高了，二元系PZT已经满足 不了使用要求，于是研究和开发性能更加优 越的三元、四元甚至五元系压电材料。
（书上8.5 压电性）
8.3 介电材料的 压 电性能及其应用
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压电材料的发展及其应用
在1880年，居里兄弟首先在单晶上发现压电效应。
在1940年前，人们知道有两类铁电体：罗息盐和
磷酸二氢钾盐，具有压电性。 在1940年后，发现
了BaTiO3是一种铁电体，具有 强的压电效应。是压电材料发展的一个飞跃。
压应力T3时，在电极面上产生电荷，则有
以下关系式：
D3 d33T3
式中d33为压电常数，足标中第一个数字指
电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字指
应力或应变方向；T3为应力；D3为电位移。
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回顾： 8.2 材料的介电性
电介质的物理参数
一、基本介电关系
基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度 之间的关系为: D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
：其中： [dij]T 为[dij] 的转秩矩阵。
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8.5.2.2 机电耦合系数（P.351）K
：机电耦合系数K是一个综合反映压电陶 瓷的机械能与电能之间耦合关系的物理 量，是压电材料进行机—电能量转换能 力的反映。机电耦合系数的定义如下：
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和r分别为电介质的介电常数和相对介电常数。
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基本介电关系
电位移矢量与电场强度和电极化强度之间的关系为:
D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
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在32个点群中有： 1. 没有对称中心的点群：21种 ： 其中20种具有压电性， ： 仅有432点群（点群的国际符号）没有压电性。 2. 具有对称中心的点群：11种，没有压电性
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压电陶瓷 piezoelectric ceramics 压电陶瓷： 是指经直流高压极 化后， 具有压电效应的铁电陶瓷材料。