压电原理与压电式传感器论文

压电原理与压电式传感器论文 湖南工业大学毕业论文 压电原理与压电式传感器 系 部: 物理与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 学生姓名:x x x 指导教师: x x 职称 x x 专 业: x x x x 班 级: x x x x x x 完成时间: 目录 摘要 .............................................................................................................................................................. 2 关键词: ...................................................................................................................................................... 2 引言 : ........................................................................................................................................................ 2 1(压电原理 ............................................................................................................................................... 3 1.1线性状态方程和线性响应系数 .................................................................................................. 3 1.2压电方程和常量 .......................................................................................................................... 5 2压电材料 ............................................................................................................................................... 6 2.1 细晶粒压电陶瓷 ......................................................................................................................... 7 2.2PbTiO3系压电材料 ...................................................................................................... 7 2.3压电陶瓷-高聚物复合材料 ................................................................................................ 7 2.4压电性特异的多元单晶压电体 .......................................................................................... 8 3、压电式传感器 ....................................................................................................................................... 8 3.1压电式压力传感器 ...................................................................................................................... 9 3.2压电式加速度传感器 ........................................................................................................... 9 3(3换能器 ............................................................................................................................. 10 3.4压电驱动器 .......................................................................................................................... 10 3.5压电式传感在机器人接近觉中的应用 .................................................................................... 11 参考文献 .................................................................................................................................................... 12 1 摘要 本文除重点介绍压电效应以外，还要介绍电致伸缩效应，并讨论铁电性压电材料的 特点和代表性的铁电性压电材料。压电材料在机电换能、传感计测、频率选择和控制 等方面实现了广泛的应用。 This article focuses on piezoelectric effect in addition to outside, but also introduced the electrostrictive effect, and discuss the ferroelectric characteristics of piezoelectric materials and representative ferroelectric piezoelectric material. Piezoelectric material in electrical and mechanical transducer, sensor measurement, the frequency of choice and control to achieve a wide range of applications. 关键词: 压电原理 ，压电效应，变压器 Piezoelectric theory, piezoelectric effect, transformers 引言 : 压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶 体对称的关系时，发现压力可产生电效应，即在某些晶体的特定方向加压力时，相应 的表面上出现正负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些 晶体中就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠(罗息盐)。1881年Lippman应用热 力学原理预言了逆压电效应(converse piezoelectric effect)，即电场可以引起与 之成正比的应变。很快这一预言被居里兄弟用实验所证实了。 接着Hankl引入了 piezoelectricity(压电性)这个名词。Voigt应用对称性原理建立了压电性的唯象理 论。他将弹性顺度张量和极化矢量的分量与晶体的对称操作联系起来，得知在32个 晶体点群中作为三阶张量的压电常量有哪些张量元不为零，并指出它们之间有什么关 系。在微观理论方面，玻恩和他合作者在晶格动力学的框架内研究了压电效应，并且 [1]计算了一些晶体(如闪锌矿)的压电常量。 压电材料的实用化是进一步研究压电效应的推动力。实用化方面早期有两个奠定性 的工作。第一，1916年郎之万发明了用石英晶体制作的水声发射器和接收器，并用 于探测水下的物体。第二，1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械谐振频率附近的 特异的电性能研究发明了谐振器。前者是最早的压电换能器，后者则为压电材料材料 [2]在在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础 2 1(压电原理 1.1线性状态方程和线性响应系数 处理电介质平衡性质的基本理论是线性理论。该理论成立条件是系统状态相对其初始态的偏离较小，在特征函数对独立变量的展开式中可忽略二次以上的高次项，而在热力学量对独立变量的展开式中可以只取线性项。 考虑以温度T，应力X和电场E为独立变量的情况，于是相应的特征函数为吉布斯自由能G。假设温度、应力和电场分别发生了小的变化dT，dX和dE，而且初始态的应力和电场为零，故dX=X，和dE=E。当这些变化足够小时，可用泰勒级数展开G，只取到二次项 2211,G,G,G,G,G2()G,G，dT，X，E，dT，XXimij0222,T,X,E,T,X,Ximij (1.1) 221,G,G,G,G，EE，XdT，EdT，XEmnimim2,E,E,T,X,T,E,X,Emnimim 因为 (1.2) dG,,SdT,xdX,DdEiimm 所以 ,G,G,G (1.3) ,,S,,,x,,,Dim,T,X,Eim 将dS，x和D看成是dT，X和E的函数，在零应力和零电场附近作泰勒展开，取近似只保留一次项 ,x,x,xiii (1.4) x,()dT，()X，()EiX,ET,EjT,Xm,T,X,Ejm ,D,D,DmmmD,()dT，()X，()EmTX,ET,EiT,Xn(1.5) ,T,X,Ein ,S,S,S (1.6) dS,()dT，()X，()EX,ET,EiT,Xn,T,X,Eim 利用式(1.3)此三式成为 222,,,GGG,,,, (1.7) x()dT()X()EiETEjTm,,,,,,,XTXXXEiijim 222,G,G,G (1.8) D,,()dT,()X,()EmXTiT,Xm,E,T,E,X,E,Emmimn 3 222,,,GGG (1.9) ,,,,dS()dT()X()EXEEiXm,2,,,,,TEXTEmim 引入 22,G,G,x,DTim (1.10) ,(),,(),(),(),d,,TTTXTEmi,X,E,E,X,E,Ximmimi 22,G,G,D,SXm (1.11) ,(),,(),(),(),p，，XXXETXm,E,T,T,E,T,Emmm 22,G,G,x,SEi (1.12) ,(),,(),(),(),a，，EEXETEi,X,T,T,X,T,Xiii 2,G,xE，Ti (1.13) ,(),(),sT，ET，Eij,X,X,Xijj 2GD,,T，Xm (1.14) ,(),(),,T，XT，XmnEEE,,,mnn 2E，XGSc,,, (1.15) ,(),(),X，EX，E2TTT,, 于是式(707)—(7.9)成为 EETT， (1.16) x,,dT，sX，dEiiijjmim XTTX， (1.17) D,pdT，dX，,Emmmiimnn EX，,cEX (1.18) dS,dT，,X，pEiimmT 这就是弹性电介质的线性状态方程。方程中的系数叫线形响应系数，它们是电介质的物性参量。上标标明响应过程中保持不变的量。由式(1.10)—(1.15)可知，这些线形响应系数就是特征函数展开式中二次方项的系数。这表明，在特征函数展开式中取到二次方项等效于在线形范围内描写电介质，二次方项的系数就是相应的物质参量。上面共出现了6个物性参量，它们反映了弹性电介质中六种线性效应，分析如下。 应力X和应变x之间的弹性效应用弹性顺度s描写。电位移D和电场E之间的介电效应用电容描写。应力X(或应变x)与电位移D(或电场E)之间的压效应用压, 电常量d描写。温度T(或熵S)与应变x(或应力X)之间的热膨胀效应用热膨胀系数描写。温度T(或熵S)与电位移D(或电场E)之间的热电效应用热电系数, ,D,Smp,()或电热系数()描写。温度T与熵S改变量的关系用比热c描m,E,Tm 4 写。 在式(1.10)—(1.12)中，利用特征函数G的二次偏微商与微商次序无关的原理，得到如下关系式: xD,,im (1.19) (),()T，XT，EEX,,mi DS,,m (1.20) (),()X，ET，XTE,,m xS,,i (1.21) (),()X，ET，ETX,,i 他们物理意义是:正效应与逆效应相等。例如上面第一式表示压电常量，第二式表示热电系数等于电热系数。由其他特征函数出发，也可得到一些类似的关系式，他们统 [3]称麦克斯韦关系式。 1.2压电方程和常量 压电体在工作过程中不可避免的发热，难以保持等温条件。但热交换通常可以忽略，既满足绝热条件，因此要研究绝热条件下的压电体的性质。先讨论以应力和电场为独立变量的情况。因为 (1.22) dH,TdS,xdX,DdEiimm 所以相应的特征函数是焓H。利用与上相似的方法见式(1.4)-(1.8)得到线性状态方程如下: ,xESs，i (1.23) x,()dS，sX，dEiEijjmim,S ,DsSX，m (1.24) D,()dS，dX，,Emmiimnn,S ,,TTT,，， (1.25) dTdS()X()EEiXm，EX,,,cXEiM 在应用绝热条件下，得出 E (1.26) x,sX，dEiijjmim X D,dX，,E (1.27) mmiimnn 式中已省去了代表绝热的上标S。 以应变为x和电场E为独立变量时，相应的方程为 5 E (1.28) X,cx,eEiijimim X (1.29) D,ex，,Emmiimn 以应变和电位移为独立变量时，相应的方程为 D (1.30) X,cx，hDiijjmim X (1.31) E,,hx，,Dmmiimnn 以应力和电位移为独立变量时，相应的方程为 D (1.32) x,cx，gDiijjmim X (1.33) E,,gX，,Dmmiimnn 上面四组方程中引入了4个压电常量，它们的定义及其在SI单位制中的单位如下: ,D,xmi (1.34) d,(),()miEX,X,Eim 单位为C/N或m/V。 ,E,Xmi (1.35) h,,(),,()miDX,x,Dim 单位为N/C或V/m ,E,xmig,,(),,() (1.36) miDX,X,Dim 2m单位为Vm/N或 C ,D,Xmie,,(),,() (1.37) miEX,x,Eim ,12单位为 N(Vm)或C/m 压电常量是反映力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)间相互偶合的线性响应系数。独立变量不同时，相应的压电常量也不相同。实用中，由可计算单位电dmi场引起的应变，由可计算一定长度的压电元件中单位应力引起的电压，所以前者称gmi 为压电应变常量，后者称为压电电压常量。给出单位电场引起应力，表示造成ehmimi [4]单位应变所需的电场，所以分别称为压电应力常量和压电刚度常量。 2压电材料 6 2.1 细晶粒压电陶瓷 下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做地更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。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 [5]压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。 2.2PbTiO3系压电材料 PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。 2.3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。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。 7 2.4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(AB)PbTiO单晶(A=Zn,Mg)。这类单晶的d33最高可达1232，2，33 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 [6]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。 3、压电式传感器 一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。即: 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，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，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，或简称压电效应。 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 8 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况 [7]不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 3.1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 [8]时，自我恢复较慢。 3.2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 9 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。 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 [9]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。 3(3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。 则利用了聚合 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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。 3.4压电驱动器 10 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 [10]探索。 3.5压电式传感在机器人接近觉中的应用 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，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压 11 [11]器、滤波器等。 参考文献 ,1, 钟维烈，铁电体物理学，科学出版社(2000) ,2, 李远、秦自楷、周志刚，压电与铁电材料的测量，科学出版社(1984) ,3, 方俊鑫，电介质物理学，科学出版社(1989) ,4, 陈创天，物理学报，29，1000(1980) ,5, 曾汗民(主编)，高技术新材料要览，中国科学技术出版社，北京(1993) ,6, 中文译本:钟维烈译，铁电体及有关材料的原理和应用，科学出版社(1989) ,7, 中文译本:陈志雄等译，铁电半导体，华中工学院出版社(1985) ,8, 蒋名华，物理学进展，13，14(1993) ,9, 陈创天，新型材料与材料科学，科学出版社，北京270(1988) ,10, 许煜寰，铁电与压电材料，科学出版社(1978) ,11, 刘长乐，物理学报，15，1000(1990) 感谢xx老师悉心指导 12