【文章內(nèi)容簡介】 y)、 PbxBa1xNb2O3+TiO2+Me2+)、細晶粒壓電陶瓷、無鉛壓電陶瓷材料。 壓電效應的原理及應用 4 2 壓電效應的實驗 設計 實驗原理 某些介質 (如石英、妮酸鏗晶體壓電陶瓷 ),當沿著一定的方向對其施加作用力 ,使它變形時 ,其表面或內(nèi)部會出現(xiàn)電荷 (稱為極化電荷 )。當外力去掉時 ,介質回到不帶電狀態(tài) .這種現(xiàn)象稱為壓電效應 .當在介質出現(xiàn)電荷的方向 (稱為極化方向 )施加電場時 ,這些介質將 產(chǎn)生形變 ,這就是逆壓電效應。 一種常用的壓電陶瓷鈦酸鋇是由CaCO3和 TiO2在高溫下合成的 .它是人造的多晶材料。它的介電常數(shù)很大 ,不導電。這種材料的分子自發(fā)形成一些極化方向一定的區(qū)域 (稱為電疇 ),各電疇在晶體中雜亂分布 ,它們的極化效應被相互抵消掉 ,因此原始的壓電陶瓷沒有壓電性質若把原始的壓電陶瓷放在外電場中 ,使電疇的極化方向發(fā)生轉動且趨向按外電場方向排列 ,即進行極化處理 ,則壓電陶瓷片內(nèi)的極化強度不再為零 ,并使其一端出現(xiàn)正束縛電荷 ,另一端出現(xiàn)負束縛電荷 ,由于束縛電荷的作用 ,在陶瓷片的電極面上將吸附一層外來的自 由電荷 ,其符號與陶瓷內(nèi)的束縛電荷相反 ,數(shù)量相等 。 如果在陶瓷上加一個與極化方向平行的壓力 ,陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變 ,片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離 L變小 ,極化強度變小。因此 ,原來吸附在電極上的自由電荷有一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當壓力撤消后 ,陶瓷片恢復原樣 ,片內(nèi)的正負電荷之間距離拉大 ,極化強度變大。因此 ,電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象 , 這種機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為正壓電效應。反之 ,在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場 ,由于電場的作用使得陶瓷片的正負電荷之間距離增大 ,使得陶瓷片沿 極化方向增大。同理 ,如 果外加電場方向與極化方向相反 ,則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短變形。這樣電效應轉就變?yōu)榱藱C械效應。 壓電效應在現(xiàn)代技術領域被廣泛應用。可以進一步通過實驗讓學生了解壓電效應及其傳感原理 ,了解壓電陶瓷的應用特點正是該實驗設計的目。 GW— 1 壓電實驗儀 LED 按鈕 正壓電 逆壓電 壓電 陶瓷 壓電陶瓷 開 關 石家莊學院畢業(yè)設計（論文） 5 本實驗擬通過自制壓電陶瓷實驗儀以及壓電陶瓷點火器和聲控開關來達到實驗目的。自制壓電陶瓷實驗儀由壓電陶瓷片、控制電路等構成 ,可完成正壓電與逆壓電效應演示 ,該實驗儀面板如上圖所示 。 當把面板上功能轉換開關撥向“正壓電”一側 ,如下圖所示的電路接通 : 由于電路參數(shù)決定此時 BG2:截止而 BG1導通 ,電流從 BG1的 e極流向 b極 ,BG1的集電容器 C1處充電 ,U2為正 U1為負 ,約過 10秒鐘時間 U1處的電勢會降到足以使 BG2導通 ,致使 BG2和 U成為很小 ,因而 U3即 BG1的 U eb比也就很小致使 BG1截止 BG1集電極上電流中斷 ,LED熄滅。此時若將電壓陶瓷片擠壓一下后放手 ,壓電陶瓷片的兩引線間就產(chǎn)生一個電壓 ,使 BG1的 b極電勢降低很多 ,致使 BG1導通 ,LED又亮了。 壓電陶瓷 Rs R1 100kΩ S R3 U3 c e b +3V R2 82Ω LED b c e U1 BG2 9012 BG1 9012 C1 100μF U2 + —— + —— F 與 閥 體 相 連 壓電效應的原理及應用 6 壓電陶瓷點火器中的壓電陶瓷為 PbIrO3PbTIO3(簡寫為 PZT)當沖擊塊給壓電陶瓷組一個沖擊力后 ,壓電陶瓷組中兩塊壓電陶瓷中的每一塊的兩個端面都產(chǎn)生高壓。這兩個高壓是并聯(lián)著的 ,如上圖所示。其優(yōu)點是要獲得同等的輸出能 量 ,每塊壓電陶瓷上受到的沖擊力只有采用單塊時的一半。兩個壓電陶瓷塊之間的高電壓 (1萬多伏 )用耐高壓的橡膠線引出 ,與閥體間產(chǎn)生電火花 ,用來點燃煤氣 ,為了提高點燃率放電間隙要調得適當。 實驗內(nèi)容 一：觀察逆壓電效應。把功能轉換開關撥向“逆壓電”一側 , 把壓電陶瓷片接入逆壓電一側的插口 ,接通電源 ,此時音樂片上的集成電路便把聲音電信號加在壓電陶瓷片上奏響。然后把功能轉換開關撥至“正壓電”一側 ,音樂片在奏完一段曲子之后便停止 ,否則將一直奏個不停 ,耗盡電池。 二：觀察正電壓效應。功能轉換開關應處于“正 壓電”一側。具體步驟如下： (1)將壓電陶瓷片的引線接入用作直流伏特計的數(shù)顯多用表插口 ,然后注意在用手接下壓電陶瓷片與松手瞬時 ,伏特計示數(shù)的符號與數(shù)值 ,試解釋一下你看到的現(xiàn)象。 (2)把壓電陶瓷片接入“正壓電”一側的插口 ,接通電源 ,待 LED不亮后在下列情況下觀察 LED發(fā)亮情形 。使電壓陶瓷碰一下桌面在離壓電陶瓷片 500mm左右處拍一下桌面。 (3)觀察閥體總成 ,并且操作它打出明亮的火花 ,將閥體總成的把手朝里一按 ,然后往逆時針方向一擰 ,便可見兩個尖端間出現(xiàn)火花 ,自己觀察一下 ,兩個尖端相距 3~4mm時火花最明亮 ,也即釋放的能量最大。 (4)操作聲控開關 ,一只手握住氣囊 ,然后與另一只手相撞便可使接在聲控開關上的用電器的電源接通或斷開。 3 兩種壓電效應的關系 （ 1） 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù) ,它直接關系到壓電輸出的靈敏度。表征壓電材料力學參量 (應力、應變 )與電參量 (電場、電位移 )之間耦合關系的參數(shù)。包括壓電應變常數(shù)、壓電應力常數(shù)、壓電電壓常數(shù)、壓電勁度常數(shù)四種，是三階張量。 （ 2）壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。 （ 3）對于一定形狀、尺寸的壓電元件 ,其固 有電容與介電常數(shù)有關 。而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 （ 4）在壓電效應中 ,機械耦合系數(shù)等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根 。 石家莊學院畢業(yè)設計（論文） 7 （ 5）衡量壓電材料機電能量轉換效率 有一 重要參數(shù)。 （ 6）壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏 ,從而改善壓電傳感器的低頻特性。 （ 7）壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點溫度。 當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內(nèi)的電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產(chǎn)生等量正負電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應”。正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。即： P=dσ其中， P 為晶體的電極化率，單位是 C/m2,d 為壓電常數(shù)單位是 C/N,σ為應力，單位是 N/m2。 當在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，如上圖所示。這種通過電場作用而產(chǎn)生機械形變的過程稱為“逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。即： S=dtE 其中， S 為晶體的楊氏模量， dt 為壓電常數(shù)，單位是 m/V， E 為電場強度適量，單位是 V/m。 如果外界電場較強，那么壓晶體管還會出現(xiàn)電致伸縮效應（ electrostriction effect）， 即材料應變與外加電場強度的平方成正比的現(xiàn)象。可以用以下公式給出： S=μ E2 其中， μ 為電致伸縮系數(shù)，單位是 m4/C2 可以證明，正壓電效應和逆壓電效應中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應的材料必然具有逆壓電效應。 壓電效應的原理及應用 8 4 壓電材料的性能與特性 材料要產(chǎn)生壓電效應 ,其原子、離子或分子晶體必須具有不對稱中心，但是由于材料類型不同 ,產(chǎn)生壓電效應的原因也有所差別。 在非晶方性晶 體中，施一外力使晶體變形，則由于晶格中電荷的移動造成晶體內(nèi)局部性不均勻電荷分布，而產(chǎn)生一電位移。電荷的位移是由于晶體內(nèi)部所有離子的移動，或者因為原子軌道上 電子分布 的變形而引起離子偏極化所造成，這些電荷位移現(xiàn)象在所有材料中都存在，可是要具有壓電效應，則必須能在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極矩變化。是否能有這種變化，端視晶格結構之對稱性而定。 壓電現(xiàn)象 理論最早是 李普曼 （ Lippmann）在研究熱力學原理時就已發(fā)現(xiàn)，后來在同一年，居里兄弟做實驗證明了這個理論，且建立了壓電性與晶體結構的關系。 1894年，?？颂?（ ）更嚴謹?shù)囟ǔ鼍w結構與壓電性的關系，他