压电陶瓷外形
压电陶瓷
铅基压电陶瓷
• 硬性取代改性（低价取代） 所谓“硬性取代改性”是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC 增加↑，极化变难， 因而在电场或应力作用下，材料性质变“硬”。(烧成后的瓷体成黑色) （a） K+，Na+等取代A位Pb2+离子； （b） Fe2+、Co2+、Mn2+(或Fe3+、Co3+、Mn3+)、Ni2+、Mg2+、Al3+、 Cr3+等 取代B位的Zr4+、Ti4+离子。
• 1947年，美国日本先后利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、 压力传感器、滤波器等应用研究。
• 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促 使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。
压电原理
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化有所变化。
工作温区窄（Tc=120℃） 工作温区宽（Tc=490℃）
易极化
难极化
热稳定性差
热稳定性好
ε=1900
ε=190
Kp =0.354 d33=191(10-12C/N) g33=11.4(10-3V·m/N)
工艺性好
Kp =0.095 d33=56(10-12C/N) g33=33(10-3V·m/N)
表征参数
频率系数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。
其中：
N=f0L
《压电陶瓷》课件
03
压电陶瓷的制造工艺
配料与混合
配料
根据生产需要，将各种原材料按 照配方准确称量，确保原材料的 质量和稳定性。
混合
将称量好的原材料进行充分混合 ，确保各种原材料均匀分布，以 提高产品的性能和稳定性。
预烧与成型
预烧
在一定温度和气氛下，将混合好的原 料进行预烧结，以促进原料的初步反 应和烧结。
易于加工和集成
压电陶瓷可以通过陶瓷工艺进 行加工和集成，与其他电子元
件实现一体化，方便应用。
压电陶瓷的应用领域
传感器
利用压电陶瓷的压电效应，可以制作 出各种压力、加速度、振动等物理量 的传感器。
换能器
驱动器
利用压电陶瓷的逆压电效应，可以制 作出各种微小位移、微小角度的驱动 器，用于精密定位、光路控制等领域。
压电陶瓷的工作模式
工作模式定义
工作模式是指压电陶瓷在受到机 械力作用时，如何将机械能转换
为电能的过程。
工作模式分类
压电陶瓷的工作模式可以分为直 接模式和逆模式。直接模式是指 陶瓷在受到压力时产生电压，逆 模式是指陶瓷在受到电压作用时
产生形变。
工作模式的应用
不同的工作模式适用于不同的应 用场景，如直接模式适用于传感 器，逆模式适用于超声波发生器
压电陶瓷广泛应用于传感 器、换能器等领域，如超 声波探头、电子点火器等。
压电陶瓷的极化
极化定义
极化是指压电陶瓷在制造过程中，通过施加高电 压使其内部电偶极矩定向排列的过程。
极化原理
在极化过程中，陶瓷内部的电偶极矩会沿着一定 的方向整齐排列，形成一个宏观的电场。
极化过程
极化过程需要在高温和高压环境下进行，通常需 要数千至上万伏的电压。
压电陶瓷片
压电陶瓷片是一种电子发音元件，以锆钛酸铅压电陶瓷材料制成。
基于压电效应原理，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。
压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：玩具，发音电子表，电子仪器，电子钟表，定时器等方面。
目录∙压电陶瓷片的原理及特性∙压电陶瓷片的驱动∙压电陶瓷片的测试方法∙压电陶瓷片的应用压电陶瓷片的原理及特性压电效应具有可逆性：若在压电陶瓷片上施以音频电压，就能产生机械振动，发出声响；反之，压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输出电压信号。
目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。
鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感，所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f0设计在3kHz左右。
考虑到在低频下工作，仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，其外形与符号如图1所示。
它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。
D一般为15~40mm，复合振动片的总厚度为h。
当压电材料—定时，谐振频率与h成正比，与(D/2)2成反比。
谐振频率fo与复合振动片的直径D呈指数关系，如图2(a)所示。
显然D愈大，低频特性愈好。
压电陶瓷片作传声器使用时，工作频率约为300Hz~5kHz。
压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D 之比，由图2(b)可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。
压电陶瓷片的驱动压电陶瓷片有两种驱动方式。
第一种是自激振荡式驱动。
其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。
此时压电陶瓷片呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，因此亦称为电流驱动型。
第二种为他激振荡式驱动，利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。
这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于电压驱动式。
半导体(压电陶瓷)
压电陶瓷材料在我们的生活中随处可见的物质，材料的发展深深的影响着人们的生活质量，同时也是我们人类社会进步和文明的重要标志。
随着社会的进步和发展，电子陶瓷材料在信息技术中占有非常重要的作用，常常被用来制作一些重要的电子元器件如：传感器、电容器、超声换能器。
因此，高性能的电子陶瓷材料是信息技术发展和研究的重要方向。
压电陶瓷是一种具有压电性能的多晶体,是信息功能陶瓷的重要组成部分。
其具有机电耦合系数高(压电振子在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能的效率)、价格便宜、易于批量生产等优点,已被广泛应用于社会生产的各个领域,尤其是在超声领域及电子科学技术领域中,压电陶瓷材料已逐渐处于绝对的支配地位,如医学及工业超声检测、水声探测、压电换能器、超声马达、显示器件、电控多色滤波器等。
1.压电陶瓷性能1.1压电性压电陶瓷最大的特性是具有正压电性和逆压电性。
正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化,从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。
反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心不但发生相对位移而被极化,同时由于此位移而导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。
1.2介电性能材料在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数（ε r ）和介质损耗（tanδ）来表示。
当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C与真空介质时该电容器的电容量 C0的比即为相对介电常数k：k＝C/C＝ (εA/d)/（ε0A/d）＝ε/ε（ε—真空介电常数：8.854×10－12F/m）当一个正弦交变电场V＝Vexpiωt施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic， Ic在无损耗时比 V 超前90°。
但实际是有损耗的。
有损耗时，总电流超前电压不再是90°而是90°-δ。
划重点让我们来聊聊“压电陶瓷”
划重点让我们来聊聊“压电陶瓷”陶瓷是古老中国的代名词，历史悠久，种类繁多。
陶瓷从花瓶、碗碟等器皿发展到现在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶体的微观极化特性的发现。
功能陶瓷是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料，主要包括压电、介电、热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，其中压电陶瓷是功能陶瓷领域的主流材料之一。
单板型压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，它呈现出 ABO3型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。
压电效应压电陶瓷是指把氧化物混合（氧化锆、氧化铅、氧化钛等）高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
其中，锆钛酸铅陶瓷简称PZT陶瓷，是一种二元固溶体，它呈现出 ABO3型的钙钛矿结构，是一种应用极为广泛的压电材料。
正压电效应逆压电效应为什么能实现“压电”压电陶瓷要有两个条件：一是晶粒有铁电性；二是经过强直流电场极化处理。
所有的铁电单晶都具有压电效应，但是对于铁电陶瓷（陶瓷是多晶体）则需要经过高压直流极化处理。
这是因为陶瓷内部的各晶粒虽然存在自发极化，具有铁电性，但是其自发极化电畴的取向是完全随机的，宏观上并不具有极化强度。
在高压直流电场作用下电畴沿电场方向定向排列，而且在电场去除后，这种定向状态大部分能够被保留下来，所以陶瓷呈现压电效应。
压电陶瓷人工极化过程压电陶瓷材料的分类目前，压电陶瓷体系主要包括钨青铜结构、铋层状结构、钙钛矿结构三大类压电陶瓷材料。
（1）钨青铜结构陶瓷钨青铜结构是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体。
该晶体也是由氧八面体以共顶点的形式联接而成的。
压电陶瓷PZT型号
A10 页
pst 150 系列－30 V～+150V 的电压与位移曲线 pst 150 系列－30 V～+150V 的电压与位移曲线
名称：压电陶瓷双晶片
产品特点 体积小 响应速度快：一般响应时间在小于 10ms 精度高：（微米级） 寿命长：1000 万次以上 可靠性高 工作电压较低：40V-200V 用橡胶夹具固定到振动台上，经 10-55-10Hz 扫频振动，持续 1minute,振动幅度 0.35mm。试验后无机械损伤。
50
7200
144
14×14/60
60
7200
120
压电陶瓷选型方法请参考前章资料/驱动电源选型请参考后章资料
压电 陶瓷 位移 伸缩 方向
压电陶瓷 响应频率 f 0 [kHz]
90 70 50 45 55 50 25 10 5 4 3 25 10 5 4 2.5 10 3 2 1 0.8 3 3 1 0.5 0.4 0.3 0.2
外形尺寸 A×B×L ［mm］±2%
标称位移Ｌμ ［um@150V］ （±10%）
无位移输出 最大推力 ［N@150V］
刚 度
［N/μm］
3×3×6
5
330
66
3×3×10
10
330
33
3×3×16
15
330
22
3×3×20
20
330
16.5
5×5×6
5
900
180
5×5×10
10
900
108
5×5×18
75
2600
75
5000
50
650
33
4500
整理的压电陶瓷基本介绍
压电陶瓷报告1.基本概念压电陶瓷由一颗颗小晶粒无规则“镶嵌”而成，如图1所示。
图1 BSPT压电陶瓷样品断面SEM照片每个小晶粒内还具有铁电畴组织，如图所示。
图PZT陶瓷中电畴结构的电子显微镜照片1.1晶胞结构目前应用最广泛的压电陶瓷是钙钛矿（CaTiO3）型结构，如PbTiO3、BaTiO3、KxNa1-xNbO3、Pb(ZrxTi1-x)O3等。
该类材料的化学通式为ABO3。
式中A的电价数为1或2，B的电价为4或5价。
其晶胞（晶格中的结构单元）结构如图所示。
压电陶瓷的晶胞结构随温度的变化是有所变化的。
如下式及图6所示。
PbTiO3（PT）：四方相立方相BaTiO3（BT）：三角相正交相四方相立方相自发极化的产生以BT材料由立方到四方相转变为例，分析自发极化的产生，如图7所示。
（a）立方相（b）四方相由图可知，立方相时，正负电荷中心重合，不出现电极化；四方相时，因490℃120℃5℃-90℃Ti4+沿c轴上移，O2-沿c轴下移，正负电荷中心不重合，出现了平行于c 轴的电极化。
这种电极化不是外加电场产生的，而是晶体内因产生的，所以成为自发极化，其相变温度TC称为居里温度。
1.2压电效应某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。
反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。
其中，如果压力是一种高频震动，产生的就是高频电流。
如果将高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动）。
1.3压电陶瓷具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，发生正压电效应时，表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。
当发生负压电效应时，形变的大小与电场强度成正比。
1.4压电作用机理压电效应首先是在水晶晶体上发现的，现在我们以水晶晶体为模型，说明产生压电效应的物理机理。
当不施以压力时，水晶晶体正、负电荷中心如上图分布，设这时正、负电荷中心重合，整个晶体的总电矩等于零，晶体表面不荷电（不呈压电性）。
当沿x方向施加压力时,晶体发生形变，正、负电荷中心分离，即电偶极发生变化，从而在X面上出现电荷积累，如图所示。
什么是压电陶瓷
01 of 03Version 2010/rfq 有些压晶体管可以烧结为多晶体陶瓷，虽然每个细晶体的压电陶瓷有自发极化的，但从整体来看都互相抵销了，而显示没有压电现像。
但是，当高直流电压施载于这类陶瓷，自发极化的方向被引导到一P的方向和实现铁电现象的陶瓷。
添加某些添加剂，材料显现非常Ã定的频率，温度，和老化特性，正被德键电子应用于陶瓷滤波器。
相对于单晶，压电陶瓷的多样的优势特点如下：1. 利于大规模量产，降低生产成本。
2. 可以形成任何理想的形状。
3. 很容易实现极化方向。
4. 化学和物理性质稳定。
5. 容易加工制造。
陶瓷谐振器应用压电陶瓷的机械共振。
振荡模式各有不同的谐振频率。
在右侧的表格显示了这种关系。
作为谐振器，石英晶体是众所周知的。
RC 振荡电路和 LC 振荡电路也被用来产生电力共振。
以下是压电陶瓷特点。
02 of 03Version 2010/rfq 1. 高稳性的振荡频率稳定度是介于石英晶体和 LC 或 RC 振荡电路之间。
石英晶体的最大温度系数 10–6/°C，而 LC 或 RC 振荡电路约 10–3 到 10–4/°C。
与这相比，陶瓷谐振器是 10–5/°C 于 -20°C 至 +80°C。
2. 陶瓷谐振器的配置小，重量轻，只有石英晶体一半的体积。
3. 低价格，不需调整，压电陶瓷可以大规模生产，因此成本低，稳定性高。
不像 RC 或 LC 电路，陶瓷谐振器使用的是机械共振。
也就是说陶瓷谐振器 基本上没有受到外部电路或电源电压波动的影响。
高度Ã定的振荡电路，因此没有必要再调整。
[Note] : show the direction of vibration03 of 03Version 2010什么是压电陶瓷 陶瓷谐振器振动有哪些模式/rfq TOKEN返回首頁 - 什麼是壓電陶瓷。
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测量转换电路
测量转换电路的作用是将电感量的变化 转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示 出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电 路，则只能判别位移的大小，却无法判别输 出的相位和位移的方向。 如果在输出电压送到指示仪前，经过一 个能判别相位的检波电路，则不但可以反映 位移的大小（的幅值），还可以反映位移的 方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检 波电路。
差动变压器式传感器的等效电路
结构特点： 两个二次线圈反 向串联，组成差 动输出形式。 请将二次 线圈N21、N22的 有关端点正确地 连接起来，并指 出哪两个为输出 端点。
2018/8/20 16
灵敏度与线性度
差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm， 行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为 宜。电源频率以1~10kHz为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的 1/10左右。
2018/8/20 3
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
220V
2018/8/20
4
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
2018/8/20 5
电感传感器的基本工作原理
当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也
较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以
电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电 感变大，电流减小。
U U U I Z X L 2 fL
2018/8/20
(31)
6
自感式电感传感器常见的形式
变隙式
2018/8/20
变截面式
螺线管式
7
电感量计算公式 ：
N 0 A L 2
2
N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。 请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截
项目5 振动测量
一．教学目的 1. 学习电涡流式传感器、磁电式传感器和压 电式传感器工作原理。 2. 学会使用振动项目的测量。
2018/8/20
1
二．任务分析 在实际使用中经常需要监测振动，使用 传感器可以无接触地测量各种振动的幅值、 频率等。物体围绕平衡位置作往复运动称为 振动。振动可分为机械振动、土木结构振动、 运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动 等。从振动的频率范围来分，有高频振动、 低频振动和超低频振动等。从振动信号的统 计特征来看，可将振动分为周期振动、非周 期振动以及随机振动等。 本项目采用多种传 感器进行振动检测，通过振动的测量来比较 各种测量方法的优缺点。
2018/8/20 11
相敏检波输出特性曲线
2018/8/20
a）非相敏检波 b）相敏检波 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
12
实测得到的 相敏检波电路 的特性曲线
通过调零 电路，可使输 出曲线平移到 原点。
标定位移时的实验数据及曲线
2018/8/20 13
2.
差动变压器式传感器
电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初 级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈 加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。在 全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线 圈的电压之和。
＋
请将单相变压 器二次线圈N21、 N22的有关端点按 全波整流电路的要 求正确地连接起来。
2018/8/20
14
差动变压器式传感器的工作原理
差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次 线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次 线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动 势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变 化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变 压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变 压器。 差动变压器的结构原理如图3-8所示。在线框上绕 有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端 和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈）， 它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器 的原理如图3-9。图中标有黑点的一端称为同名端，通 俗说法是指线圈的“衡的，
VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路，
Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，Ａ1及 Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器，
用于克服a、b两点的对地共模电压。
2018/8/20 19
3.
电感式传感器的应用
1）位移测量 轴向式电感 测微器的外形
面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。
2018/8/20
8
差动电感传感器的特点
在变隙式差动电感传感 器中，当衔铁随被测量移动 而偏离中间位置时，两个线 圈的电感量一个增加，一个 减小，形成差动形式。 曲线1、2为L1、L2 的特性， 3为差动特性
1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件
航空插头
红宝石测头
例：欲测量20mm2mm轴的直径误 差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变 压器（或电感传感器）为宜 ？
2018/8/20 17
测量电路
（以差动整 流为例）
若Ｃ1、Ｃ2
虚焊，Ua o、
Ub o将变成什么 波形？
2018/8/20
18
差动整流的特点
电路是以两个桥路整流后的直流电 压之差作为输出的，所以称为差动整流 电路。它不但可以反映位移的大小（电 压的幅值），还可以反映位移的方向。
2018/8/20 2
三.基础知识 1. 自感式传感器 先看一个实验：
将一只380V交流接触器线圈与交流 毫安表串联后，接到机床用控制变压器 的36V交流电压源上，如图4-1所示。这 时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢 慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往 下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减 小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于 零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。
请分析：灵敏度、 线性度有何变化
2018/8/20 9
差动式电感传感器的特性
从结构图可以看出，差动式电感传感器 对外界影响，如温度的变化、电源频率的变 化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁 吸力也较小，从而减小了测量误差。 从曲线图可以看出，差动式电感传感器 的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约 为非差动式电感传感器的两倍。