【文章內(nèi)容簡介】 y)、 PbxBa1xNb2O3+TiO2+Me2+)、細(xì)晶粒壓電陶瓷、無鉛壓電陶瓷材料。 壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用 4 2 壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)原理 某些介質(zhì) (如石英、妮酸鏗晶體壓電陶瓷 ),當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┘幼饔昧?,使它變形時(shí) ,其表面或內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)電荷 (稱為極化電荷 )。當(dāng)外力去掉時(shí) ,介質(zhì)回到不帶電狀態(tài) .這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) .當(dāng)在介質(zhì)出現(xiàn)電荷的方向 (稱為極化方向 )施加電場(chǎng)時(shí) ,這些介質(zhì)將 產(chǎn)生形變 ,這就是逆壓電效應(yīng)。 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(dǎo)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(yīng)被相互抵消掉 ,因此原始的壓電陶瓷沒有壓電性質(zhì)若把原始的壓電陶瓷放在外電場(chǎng)中 ,使電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)且趨向按外電場(chǎng)方向排列 ,即進(jìn)行極化處理 ,則壓電陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)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(fù)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(hào)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(gè)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(fù)束縛電荷之間距離 L變小 ,極化強(qiáng)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(dāng)壓力撤消后 ,陶瓷片恢復(fù)原樣 ,片內(nèi)的正負(fù)電荷之間距離拉大 ,極化強(qiáng)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(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之 ,在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng) ,由于電場(chǎng)的作用使得陶瓷片的正負(fù)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(chǎng)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(yīng)轉(zhuǎn)就變?yōu)榱藱C(jī)械效應(yīng)。 壓電效應(yīng)在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用?？梢赃M(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解壓電效應(yīng)及其傳感原理 ,了解壓電陶瓷的應(yīng)用特點(diǎn)正是該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目。 GW— 1 壓電實(shí)驗(yàn)儀 LED 按鈕 正壓電 逆壓電 壓電 陶瓷 壓電陶瓷 開 關(guān) 石家莊學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 本實(shí)驗(yàn)擬通過自制壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)儀以及壓電陶瓷點(diǎn)火器和聲控開關(guān)來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｗ灾茐弘娞沾蓪?shí)驗(yàn)儀由壓電陶瓷片、控制電路等構(gòu)成 ,可完成正壓電與逆壓電效應(yīng)演示 ,該實(shí)驗(yàn)儀面板如上圖所示 。 當(dāng)把面板上功能轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“正壓電”一側(cè) ,如下圖所示的電路接通 : 由于電路參數(shù)決定此時(shí) BG2:截止而 BG1導(dǎo)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(fù) ,約過 10秒鐘時(shí)間 U1處的電勢(shì)會(huì)降到足以使 BG2導(dǎo)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(shí)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(gè)電壓 ,使 BG1的 b極電勢(shì)降低很多 ,致使 BG1導(dǎo)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(yīng)的原理及應(yīng)用 6 壓電陶瓷點(diǎn)火器中的壓電陶瓷為 PbIrO3PbTIO3(簡寫為 PZT)當(dāng)沖擊塊給壓電陶瓷組一個(gè)沖擊力后 ,壓電陶瓷組中兩塊壓電陶瓷中的每一塊的兩個(gè)端面都產(chǎn)生高壓。這兩個(gè)高壓是并聯(lián)著的 ,如上圖所示。其優(yōu)點(diǎn)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(shí)的一半。兩個(gè)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(diǎn)燃煤氣 ,為了提高點(diǎn)燃率放電間隙要調(diào)得適當(dāng)。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 一：觀察逆壓電效應(yīng)。把功能轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“逆壓電”一側(cè) , 把壓電陶瓷片接入逆壓電一側(cè)的插口 ,接通電源 ,此時(shí)音樂片上的集成電路便把聲音電信號(hào)加在壓電陶瓷片上奏響。然后把功能轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至“正壓電”一側(cè) ,音樂片在奏完一段曲子之后便停止 ,否則將一直奏個(gè)不停 ,耗盡電池。 二：觀察正電壓效應(yīng)。功能轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)處于“正 壓電”一側(cè)。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(jì)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(shí) ,伏特計(jì)示數(shù)的符號(hào)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(cè)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(shí)針方向一擰 ,便可見兩個(gè)尖端間出現(xiàn)火花 ,自己觀察一下 ,兩個(gè)尖端相距 3~4mm時(shí)火花最明亮 ,也即釋放的能量最大。 (4)操作聲控開關(guān) ,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(guān)上的用電器的電源接通或斷開。 3 兩種壓電效應(yīng)的關(guān)系 （ 1） 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù) ,它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。表征壓電材料力學(xué)參量 (應(yīng)力、應(yīng)變 )與電參量 (電場(chǎng)、電位移 )之間耦合關(guān)系的參數(shù)。包括壓電應(yīng)變常數(shù)、壓電應(yīng)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(dòng)態(tài)特性。 （ 3）對(duì)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(guān) 。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(yīng)中 ,機(jī)械耦合系數(shù)等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根 。 石家莊學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 5）衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)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(diǎn)溫度。 當(dāng)對(duì)壓電材料施以物理壓力時(shí)，材料體內(nèi)的電偶極矩會(huì)因壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)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(yīng)”。正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)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(yīng)力，單位是 N/m2。 當(dāng)在壓電材料表面施加電場(chǎng)（電壓），因電場(chǎng)作用時(shí)電偶極矩會(huì)被拉長，壓電材料為抵抗變化，會(huì)沿電場(chǎng)方向伸長，如上圖所示。這種通過電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(chǎng)強(qiáng)度適量，單位是 V/m。 如果外界電場(chǎng)較強(qiáng)，那么壓晶體管還會(huì)出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（ electrostriction effect）， 即材料應(yīng)變與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比的現(xiàn)象?？梢杂靡韵鹿浇o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(yīng)和逆壓電效應(yīng)中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應(yīng)的材料必然具有逆壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)的原理及應(yīng)用 8 4 壓電材料的性能與特性 材料要產(chǎn)生壓電效應(yīng) ,其原子、離子或分子晶體必須具有不對(duì)稱中心，但是由于材料類型不同 ,產(chǎn)生壓電效應(yīng)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(dòng)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(dòng)，或者因?yàn)樵榆壍郎?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(yīng)，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(jié)構(gòu)之對(duì)稱性而定。 壓電現(xiàn)象 理論最早是 李普曼 （ Lippmann）在研究熱力學(xué)原理時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，后來在同一年，居里兄弟做實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)理論，且建立了壓電性與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 1894年，?？颂?（ ）更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囟ǔ鼍w結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系，他