压电效应
第三次课压电效应-PPT课件
压电特性的矩阵表示
表示压电体的能量转换方 式
dij=0,则表示该方向上没有压电效应
1 d11 d12 d13 d14 d15
2
d21
d22
d23
d24
d25
3 d31 d32 d33 d34 d35
大小表示压电效应的强弱
T1
d16 d26 d36
TTTT5432
正压电效应
横向压电效应 切向压电效应
逆应——机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变
形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面 上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新 恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 ● 顺（正）压电效应
压电常数和表面电荷计算
i,j di,j Tj
Tj: j方向的应力 dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数 σij:j方向的力在i面产生的电荷密度
z(3)
x(1) i(i=1,2,3):
y(2)
z
(3)
(σ 3 ) F3 F6
σi j = d i j Fj
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
主要压电材料及其性能表征
• 自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。
实际应用的压电材料 ① 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 ② 压电陶瓷（多晶体）：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列） 等。 ③ 有机压电材料：聚偏氟乙烯(ＰＶＤＦ)和偏氟乙烯三氟乙 烯共聚物(ＶＤＦ-TRFE)等有机压电（薄膜）材料等。 ④ 复合压电材料：在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状 、杆状、或粉末状压电材料构成的。
压电效应及压电材
p117页图6-10所示，当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。
01
时，前置放大器的输出电压随频率变化不大。
01
即说明压电传感器的高频响应比较好，所以用于高频交变力的测量。
主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。
01
02
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。
Y
+
+
+
-
-
-
X
P1
P2
P3
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为： (P1+P2+P3)X>0
（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
+
+
+
+
－
－
－
－
X
Y
+
+
+
-
-
-
BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为15~20 kΩ。
三、压电式玻璃破碎报警器
使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。
压电效应原理
压电效应原理压电效应，简单来说，是指某些特定材料在受力或压力作用下会产生电荷的现象。
这种效应是由于压电材料内部的晶格结构变形引起的。
本文将介绍压电效应的原理以及它的应用。
一、压电效应的原理压电效应的原理可以通过晶格结构的变形来解释。
压电材料的晶体结构中包含正、负电荷的偶极子。
当外力施加在压电材料上时，晶格结构会发生微小的变形，导致正、负电荷发生相对位移，从而产生电势差。
这种电势差可以通过导电材料连接起来，形成电流。
压电效应的原理基于两种主要的压电材料：正压电效应和逆压电效应。
1. 正压电效应正压电效应又称为直接压电效应，是指施加机械压力或应力时，压电材料会产生电势差。
这种效应广泛应用于压电传感器、压电陶瓷等领域。
正压电效应的材料包括石英、硼酸铋等。
2. 逆压电效应逆压电效应又称为反向压电效应，是指施加电场时，压电材料发生形变。
逆压电效应广泛应用于压电陶瓷驱动器、压电声表面波传感器等领域。
逆压电效应的材料包括锆酸钛、铅锆钛等。
二、压电效应的应用压电效应由于其可控性和可靠性，被广泛应用于多个领域。
1. 压电传感器压电传感器是利用正压电效应测量压力、应力、加速度等物理量的装置。
常见的应用包括测量水深的超声波传感器、车辆碰撞感应器等。
通过正压电效应产生的电势差，可以将力学信号转化为电信号，并实现精确的测量。
2. 压电陶瓷压电陶瓷是一类利用压电效应的陶瓷材料。
它们具有压电效应的特性，可以在电场或应力的作用下发生形变。
因此，压电陶瓷广泛用于传感器、驱动器、超声波发生器等领域。
例如，在医学领域中，压电陶瓷可以用于超声波成像设备。
3. 压电振动器压电振动器是利用逆压电效应的装置，通过施加电场使压电材料发生振动。
这种装置常用于钟表、移动设备的震动反馈等。
逆压电效应的应用使得压电振动器成为一种高效、节能的振动装置。
4. 压电声表面波传感器压电声表面波传感器是一种利用逆压电效应的传感器。
通过将电场施加到压电材料上，声表面波会在材料表面产生。
压电效应及其原理
压电效应及其原理压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。
相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
压电效应可分为正压电效应与逆压电效应。
正压电效应就是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多就是利用正压电效应制成的。
逆压电效应就是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
用逆压电效应制造的变送器可用于电声与超声工程。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。
压电晶体就是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形与长度变形压电效应。
两种压电效应的关系可以证明,正压电效应与逆压电效应中的系数就是相等的,且具有正压电效的材料必然具有逆压电效应。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
这里再介绍一下电致伸缩效应。
电致伸缩效应,即电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变大小与电场平方成正比,与电场方向无关。
压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。
而电致伸缩效应对所有的电介质均存在,不论就是非晶体物质,还就是晶体物质,不论就是中心对称性的晶体,还就是极性晶体。
原理压电效应的原理就是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应),反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。
压电效应
超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。
压电效应与反压电效应什么是压电效应？正压电效应与逆压电效应的区别？压电效应定义一：在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。
与压电效应同时还能发生电致伸缩。
压电效应定义二：不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。
什么是压电效应？压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
正压电效应与逆压电效应的区别？正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
压电效应及其应用
压电效应及其应用压电效应是指在某些晶体中，当受到外力的作用时，会发生电荷的分离，从而产生电场的现象。
这种效应是由于晶体的结构对外力的敏感性所引起的，因此被称为压电效应。
在压电效应的基础上，人们开发出了许多应用，为现代科技的发展和人类生活的改善做出了贡献。
一、压电效应的发现和研究压电效应最早是在18世纪被发现的。
当时，法国的物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现，在某些晶体中，当受到外力的作用时，会产生电荷的分离，从而形成电场。
这种现象被称为压电效应。
随后，他的妻子玛丽·居里（Marie Curie）也对压电效应进行了研究，并发现压电效应还可以用来产生声波和超声波。
在接下来的几十年里，人们对压电效应进行了深入的研究，并发现了许多新的晶体具有压电效应。
例如，石英、钛酸锶、钨酸铅等都是具有压电效应的晶体。
此外，人们还研究了压电效应的机理和影响因素，为后来的应用奠定了基础。
二、压电效应的应用1. 压电传感器压电传感器是一种利用压电效应来检测物理量的传感器。
它的工作原理是将物理量转化为力或压力，并作用于压电晶体上，从而产生电荷的分离，形成电场。
通过测量电场的大小，可以确定物理量的大小。
压电传感器广泛应用于机械、电子、医疗等领域，用于测量压力、力、形变等物理量。
2. 压电陶瓷压电陶瓷是一种利用压电效应制成的陶瓷材料。
它具有良好的压电性能，可以将机械能转化为电能，并且具有高灵敏度、高稳定性、高温度稳定性等特点。
因此，压电陶瓷被广泛应用于声学、电子、自动化等领域，如扬声器、超声波发生器、压电振荡器等。
3. 压电马达压电马达是一种利用压电效应制成的电机。
它的工作原理是将电场作用于压电晶体上，使其产生形变，并将形变转化为机械能，从而驱动负载。
压电马达具有体积小、重量轻、响应速度快等特点，被广泛应用于微型机械、精密仪器、航空航天等领域。
4. 压电降噪压电降噪是一种利用压电效应来降低噪声的技术。
简述压电效应和电致伸缩效应
简述压电效应和电致伸缩效应一、引言压电效应和电致伸缩效应是固体物理学中的两个重要现象。
它们在微观层面上与晶体的结构有关，同时也在实际应用中发挥着重要作用。
本文将对这两个效应进行详细阐述。
二、压电效应1. 定义压电效应是指某些晶体在受到外力或电场作用下会产生电荷分布不均匀的现象，从而在其表面产生电势差的现象。
2. 原理压电效应的产生与晶体内部存在着一种称为“极化”的现象有关。
极化是指晶体内部正负离子或分子在外力或电场作用下发生相对位移而形成的极性区域。
当晶体受到外力或电场作用时，极性区域会发生改变，从而导致表面出现电势差。
3. 应用压电效应被广泛应用于声学、光学、机械等领域。
例如，在声学设备中，利用压电材料可以将机械振动转换为电信号；在光学设备中，利用压电材料可以控制光路和光强；在机械设备中，利用压电材料可以实现精密控制和定位。
三、电致伸缩效应1. 定义电致伸缩效应是指某些晶体在受到外加电场作用下会发生长度变化的现象。
2. 原理电致伸缩效应的产生与晶体内部存在着一种称为“畴”的结构有关。
畴是指晶体内部由相同方向极性区域组成的微小区域。
当晶体受到外加电场作用时，畴会发生变化，从而导致整个晶体发生长度变化。
3. 应用电致伸缩效应被广泛应用于微机械、传感器等领域。
例如，在微机械设备中，利用电致伸缩效应可以实现微小位移和力的控制；在传感器中，利用电致伸缩效应可以实现高灵敏度和高精度的检测。
四、压电效应与电致伸缩效应的比较1. 相同点压电效应和电致伸缩效应都是与晶体内部结构有关的物理现象，都可以通过外加力或电场来控制晶体的性质。
2. 不同点压电效应是产生电势差的现象，而电致伸缩效应是产生长度变化的现象。
压电效应主要应用于声学、光学、机械等领域，而电致伸缩效应主要应用于微机械、传感器等领域。
五、结论压电效应和电致伸缩效应是固体物理学中两个重要的现象，它们在实际应用中发挥着重要作用。
了解这两个效应的原理和应用，有助于我们更好地理解和利用这些物理现象。
压电效应的原理及应用ii
压电效应的原理及应用 II1. 压电效应的简介压电效应是指在某些晶体或陶瓷材料中，当受到压力或拉力作用时，会在其表面上产生相应的电荷分布。
此现象被称为压电效应，是一种将机械能转化为电能的物理效应。
压电效应在现代科技领域中具有广泛的应用，本文将详细介绍压电效应的原理及其在不同领域的应用。
2. 压电效应的原理压电效应的基本原理是由晶体和陶瓷材料中的晶格结构决定的。
在晶体和陶瓷材料中，离子是按照有序的方式排列的，从而形成一个稳定的晶格结构。
当施加压力或拉力时，离子之间的距离会发生微小的变化，导致晶体或材料的形状发生变化。
这种变化会引起晶体中的电荷重排，使得正负电荷在晶体表面上分离出来，形成压电场。
3. 压电效应的应用3.1 压电传感器压电传感器是一种将机械能转换为电能的装置，常用于测量压力、力量和位移等物理量。
压电传感器利用压电效应，当施加力或压力时，传感器会产生相应的电荷分布，通过测量电荷量的变化可以得到相应的物理量信息。
压电传感器在工业自动化控制、医学影像设备等领域有着广泛的应用。
3.2 压电陶瓷压电陶瓷是一种应用压电效应的材料，具有机械性能优良、稳定性高等特点。
压电陶瓷常用于制作声波发生器、声波检测器和超声波传感器等设备。
在医学领域中，压电陶瓷被广泛用于超声波成像系统，用于诊断、治疗和监测。
3.3 压电振荡器压电振荡器是一种利用压电效应产生高频振荡的器件。
压电振荡器广泛应用于通信设备、计算机电子设备中，用于产生稳定的高频信号。
压电振荡器具有体积小、功耗低、频率稳定等优点，在无线通信、计算机芯片和航天领域有着重要的应用。
3.4 压电驱动器压电驱动器是一种利用压电效应产生机械驱动的装置。
压电驱动器可以将电能转换为机械能，广泛应用于精密仪器、航天器、激光系统等领域。
压电驱动器具有响应速度快、精度高等特点，在精密定位和精密控制领域有着重要的应用。
4. 总结压电效应是将机械能转化为电能的重要物理现象，在现代科技领域具有广泛的应用。
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(9-2)
式中，a、b为晶体切片的长度和厚度,d12为Ｙ轴方向受力时的压电系数(石英轴对称， )。
由式（9-2）可见，沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关。式中的负号说明沿Y轴的压力所引起的电荷极性与沿Ｘ轴的压力所引起的电荷极性是相反的。
有关晶片的切形及符号是这样规定的：在直角坐标中,如切片的原始位置是厚度平行于Ｘ轴，长度平行于Y轴,宽度平行于Z轴，以此原始位置旋转出来的切型为X切族；如切片的厚度、长度和宽度边分别平行于Y、X和Z轴，从此原始位置旋转出来的切型为Ｙ切族。并规定逆时针旋转为正切族,而顺时针旋转为负切型。
（４）厚度剪切变形（ＴＳ方式）
如图9-6(ｄ)所示,计算式为:q2＝d２6s6(Ｙ切晶片)
(5)弯曲变形(ＢS方式)
该方式不是基本变形方式，而是按拉、压、剪切应力共同作用的结果。根据具体情况选择合适的压电常数。
对于BaTio３压电陶瓷,除掉LE方式（用d31)和TＥ方式（用ｄ3３）、ＦS方式(用d1５)外,尚有体积变形(VE)方式可利用,如图9-６(e）所示。这时产生的电荷密度按下式计算
9.1.3 压电元件的基本变形
从压电常数矩阵还可看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有以下几种。
（1）厚度变形(TE方式)
如图9－6（ａ)所示，该方式是石英晶体的纵向压电效应,产生的表面电荷密度为
q1=d1１s１ (9-5)
（2)长度变形（LＥ)变形
如图9－6(ｂ）所示,是利用石英晶体的横向压电效应，表面电荷的计算式为
下面以石英晶体为例来说明压电晶体是怎样产生压电效应的。石英晶体的分子式为ＳiＯ2。如图９-4（a)所示,硅原子带有4个正电荷，而氧原子带有2个负电荷，正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。
如在X轴方向压缩,如图9－４（b)所示,则硅离子１就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表面A上呈现负电荷，而在表面Ｂ上呈现正电荷。如所受的力为拉伸,则硅离子１和氧离子4向外移,在表面A和Ｂ上的电荷符号就与前者正好相反。如沿Y轴方向上压缩,如图9－4(c)所示,硅离子3和氧离子2及硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极Ｃ和D上仍不呈现电荷,而由于相对把硅离子和氧离子4向外挤,则在Ａ和Ｂ表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力,则在表面A和B上电荷符号与前者相反，在Z轴上受力时,由于硅离子和氧离子是对称平移,故在表面上没有电荷呈现,因而没有压电效应。
9.１.2 压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时,在相应的表面上产生表面电荷,其计算公式为
(9－３）
式中,q为电荷的表面密度（C/cm2)；s为单位面积上的作用力（N/cｍ２）；dij为压电常数(C／N)。压电常数有两个下角注,其中第一个角注i表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂直于X轴(Y轴或Z轴)时,记作i=１(或2或3)。第二个下角注ｊ＝1或2、３、4、5、6分别表示在沿X轴、Ｙ轴、Z轴的平面内(即yz平面、ｚx平面、xｙ平面）作用的剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋转的正向看去使其Ⅰ、Ⅱ象限的对角线伸长。
常见的压电元件有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
图9-1所示为天然结构的石英晶体,呈六角形晶柱。在直角坐标系中，Z轴表示其纵向轴，称为光轴；X轴平行于正六面体的棱线，称为电轴，Y轴垂直于正六面体棱面,称为机械轴。常将沿电轴（Ｘ轴）方向的力作用下产生的电荷效应称为“纵向压电效应”;沿机械轴（Y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴(Ｚ轴)方向受力时则不产生压电效应。
q3=d31s１+d3２s2+d33s3 (９-9)
此时应力s1=s２=s3＝s,ｄ31=d32,q3=（2ｄ３１+d３3）ｓ=dvs，式中,dv＝2d3１+ｄ３3为体积压缩的压电常数。
以上讨论的压电常数dij的物理意义是：在“短路条件”下,单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开,在晶体形变上不存在“二次效应”。实际使用时还有其它压电常数。
q1=ｄ12s２或Q1=d１2Ｆy（Sx/Sy) （9-6)
式中,Sx、Ｓy为分别为电荷面和受力面的面积。该式表明沿机械轴方向对晶体施加作用力时，在垂直于电轴的表面产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。
(３）面剪切变形（ＦS方式)
如图9-6（c）所示,计算式为
q１=ｄ14s４(Ｘ切晶片) (９-7）
或q２＝d２5ｓ5(Y切晶片) (9－8)
压电效应
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ﻩ
压电效应
压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。这些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时,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，这种现象称为压电效应。具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。
从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片,图9-2即为石英晶体切片的示意图。在每一切片中，当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为
(9－1）
式中，d11为压电系数（C／g或 C/N）。
电荷Qx的符号视Fx是受压还是受拉而决定,由式(9－1)中可见,切片上产生电荷的多少与切片几何尺寸无关。
晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系可用图9-3表示，图（a）是在X轴方向上受压力，(b)是在X轴方向受拉力，(c)是在Y轴方向受压力，(ｄ)是在Y轴方向受拉力。
在片状压电材料的两个电极面上,如加以交流电压，压电片能产生机械振动,即压电片在电极方向上有伸缩的现象。压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，亦称为“逆压电效应”。
(１）压电常数g
在“断路条件”下单位应力在晶体内部产生的电势梯度,它描述压电元件的电压灵敏度,其值为
(9-10)
式中，er、e0分别为相对介电常数、真空介电常数（常数ｄ、ｇ和e应有相同的下角注)。