(完整word版)压电陶瓷片的原理及特性
压电陶瓷片的原理及特性试验
压电陶瓷片的原理及特性试验
极化压电陶瓷片是一种由极化压电陶瓷制成的特殊功能晶体片，具有
优越的振动、放电和电磁屏蔽特性，在各种振动噪声、主被动设备中
有广泛的应用。
一、极化压电陶瓷片的原理
极化压电陶瓷片的原理是：将极化压电陶瓷放置在一定的电场作用下，当外加振动时，它会产生两类变形：即按照电场方向的拉伸变形和横
向剪切变形。
前者产生位移电势，后者产生垂直变形电位，使极化压
电陶瓷得以工作。
二、极化压电陶瓷片的特性试验
1.快速响应特性
极化压电陶瓷片具有快速响应特性，激振后能够迅速响应，具有良好
的冲击特性，可以将外界振动信号快速转换为能量信号。
2.良好的振动特性
极化压电陶瓷片具有良好的振动特性，能克服振动不均匀性，除去不
需要的振动幅度和频率，进而也减弱相应的噪音。
3.良好的电磁屏蔽特性
极化压电陶瓷片在紊乱的电磁环境中仍能有效屏蔽被干扰，具有良好的等效电阻，能将电磁波转换为热能，使被干扰信号受到有效屏蔽。
4.性能稳定
极化压电陶瓷片具有横向剪切室高灵敏度和高稳定度，其中包括拉伸灵敏度和熔化频率的稳定性。
5.容易分离及复原
极化压电陶瓷片容易分离，不会发生损坏，可以进行快速和高效的组装，同时更替的也非常的简单方便。
压电陶瓷原理
压电陶瓷原理
压电陶瓷是一种能够产生电荷和机械位移的材料。
其基本原理是压电效应，即当施加力或压力时，压电陶瓷会发生相应的形变或机械位移，并在其表面产生电荷分布。
这种特性使得压电陶瓷可以广泛应用于传感器、电器和机械装置等领域。
压电陶瓷的压电效应是由于其晶格结构具有非对称性而产生的。
在晶格结构中，正电荷和负电荷不完全重叠，形成了一种偏离中心位置的离子位移。
当施加外力或压力时，这些偏离的离子会发生位移，并引起电荷的重新分布，产生电场。
根据压电效应的不同方向，压电陶瓷可分为三种类型：纵向压电效应、横向压电效应和体积压电效应。
纵向压电效应是指在压力作用下，压电陶瓷沿着力的方向发生机械位移和电荷分离。
横向压电效应是指在力作用方向的垂直方向上，压电陶瓷发生机械位移和电荷分离。
体积压电效应是指在外力作用下，压电陶瓷整体发生体积变化，从而导致电荷的分离。
通过控制施加的力或压力的大小和方向，可以改变压电陶瓷的形变和电荷分布情况。
这种特性被广泛应用于压电陶瓷的传感器中。
例如，当施加外力时，压电陶瓷会产生电荷分离，可以用来检测力的大小和方向。
此外，压电陶瓷还可以应用于压电陶瓷马达、压电陶瓷换能器等设备中，利用其机械位移和电荷分离特性实现机械能与电能的转换。
总之，压电陶瓷利用压电效应来实现电-机耦合效应，具有广
泛的应用前景。
通过控制施加力或压力的大小和方向，可以改
变压电陶瓷的形变和电荷分布情况，从而实现对电能和机械能的控制和转换。
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。
压电陶瓷
压电陶瓷压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）是一种特殊的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电效应，能够在外界施加压力或扭转时产生电荷，同时在外加电场下也能产生机械变形。
因此，压电陶瓷广泛应用于传感器、换能器、储能器、振动器等领域。
本文将介绍压电陶瓷的原理、特性以及应用领域。
首先，我们来了解一下压电陶瓷的原理。
压电现象最早是由法国物理学家庞丁（Pierre Curie）和雅克（Jacques Curie）在1880年发现的。
他们发现某些晶体，如石英和长石，在外界施加压力时会产生电荷。
这被称为正压电效应。
而如果在外加电场的作用下，这些晶体会发生机械变形，这被称为反压电效应。
接下来，我们来探讨一下压电陶瓷的特性。
压电陶瓷具有几个主要的特性。
首先，它们具有良好的压电和逆压电效应。
这使得它们成为制造传感器和换能器的理想材料。
其次，压电陶瓷还具有良好的机械强度和稳定性。
它们可以承受高压力和机械应力，并且能够在广泛的温度范围内工作。
此外，压电陶瓷具有较宽的频率范围和较高的输出功率。
这使得它们成为制造振动器和储能器的理想选择。
压电陶瓷具有广泛的应用领域。
其中一个主要应用是在传感器领域。
压电陶瓷可以用于制造压力传感器、加速度传感器、力传感器等。
这些传感器可以广泛应用于自动化、工业控制、医疗设备等领域，实现对压力、加速度、力等参数的测量和监控。
另一个主要应用是在换能器领域。
压电陶瓷可以用于制造超声换能器、声波清洗器、喇叭等。
这些换能器可以将电能转化为机械能，实现声音的放大和传播。
此外，压电陶瓷还可以应用于振动器、储能器、精密电机等领域。
总之，压电陶瓷是一种独特的陶瓷材料，具有压电效应。
它具有压电和逆压电效应、良好的机械强度和稳定性、较宽的频率范围和高输出功率等特性。
压电陶瓷在传感器、换能器、储能器、振动器等领域有广泛的应用。
它们在实际生活中发挥着重要的作用，促进了科技的发展和进步。
希望随着科技的不断发展，压电陶瓷能够在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和创新。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
在强电场的作用下，使陶瓷内部产生电畴， 即压电效应的微观结构。
老炼
在高温和高电压下对极化后的陶瓷进行长时 间的老炼处理，以进一步提高其性能。
05
压电陶瓷的发展趋势与展望
高性能化
高压电电压常数
随着科技的发展，对压电陶瓷的 电压常数要求越来越高，以提高
其转换效率和应用范围。
高机械品质因数
机械品质因数是衡量压电陶瓷性能 的重要参数，提高其数值有助于降 低能量损耗，提高陶瓷的稳定性。源自电学品质因数总结词
电学品质因数反映了压电陶瓷的介电能与机械能之比，是评价其能量转换效率的 重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的电学品质因数，意味着其介电能转换为机械能的效 率高，能量损失小。
非线性效应
总结词
压电陶瓷在极化处理后具有显著的压 电效应和非线性效应。
详细描述
在极化处理后，压电陶瓷的压电常数 会随施加电压的增加而增大，表现出 非线性效应。这种非线性效应使得压 电陶瓷在某些应用中具有更高的性能 表现。
详细描述
压电陶瓷的压电常数、介电常数等性能参数随温度变化较小 ，具有良好的温度稳定性，使其在温度变化的环境中仍能保 持稳定的压电性能。
机械品质因数
总结词
机械品质因数反映了压电陶瓷的机械能与介电能之比，是评价其能量转换效率 的重要参数。
详细描述
高品质的压电陶瓷具有较高的机械品质因数，意味着其机械能转换为介电能的 效率高，能量损失小。
压电方程
压电方程定义
压电方程是描述压电陶瓷在机械力和 电场作用下的关系，是描述压电效应 的数学模型。
常用的压电方程
常用的压电方程包括d33E、g33E等， 其中d33E表示在3方向上施加单位力 时，材料产生的电荷量与施加的电压 之间的关系。
压电陶瓷片的工作原理
压电陶瓷片的工作原理压电陶瓷片是一种能够将机械能转化为电能的材料。
它具有压电效应，即在外界施加压力或力之下，会产生电荷的分布和电场的改变。
它广泛应用于传感器、声波发生器、声纳、电子滤波器和换能器等领域。
压电陶瓷片的工作原理基于压电效应和反压电效应。
压电效应是指在材料受到外力压缩或拉伸时，电荷分布不均，从而产生电势差。
反压电效应是指在材料受到外界电场激励时，会产生机械位移。
这两种效应共同作用，使得压电陶瓷片能够实现能量的相互转换。
具体来说，压电陶瓷片的工作原理如下：1. 压力激励：当外界施加压力或力于压电陶瓷片时，陶瓷片内部的晶格结构发生微小变化，使得正负电荷分布不平衡。
这种电荷分布不均产生的电场会引起电子的流动，从而产生电流。
2. 反压电效应：当外界电场施加于压电陶瓷片上时，陶瓷片内部的电荷分布会发生改变，从而产生内部电极的张力或压力。
这种张力或压力会导致陶瓷片发生微小变形，从而在力的作用下产生机械位移。
压电陶瓷片的工作原理可以通过数学模型来解释。
一种常用的模型是压电应力-电位模型。
根据这个模型，当外界施加压力时，压电陶瓷片的变形程度与施加的压力成正比。
这个比例系数称为压电模量。
同样地，当外界施加电场时，压电陶瓷片的机械位移与电场的强度成正比。
这个比例系数称为电压系数。
压电陶瓷片的工作原理还可以通过其晶体结构来解释。
压电陶瓷片通常是由铅酸锆、铅酸钛等材料构成的。
这些材料具有反铁电性质，意味着它们具有可逆极化的特性。
在无外界电场和机械压力作用下，铅酸锆和铅酸钛的晶体结构是不均匀和非对称的。
然而，一旦外界压力或电场施加于材料上，晶格结构会发生变化，变得均匀和对称。
这种晶格结构的变化导致了电荷分布和电场的改变，从而产生压电效应。
总的来说，压电陶瓷片的工作原理是基于压电效应和反压电效应的相互作用。
压力激励会引起电荷的分布不均，产生电场和电流。
反压电效应会导致机械位移，使材料发生形变。
这些效应使得压电陶瓷片能够实现能量的相互转换，并应用于各种电子和声学设备中。
压电陶瓷的原理及特性研究
压电陶瓷的原理及特性研究
压电陶瓷是一种能够产生压电效应的材料。
压电效应是指当该材料受到外力作用时，会产生电荷分离或极化现象，从而在材料上产生电压。
压电陶瓷的原理是基于固体晶格的对称性变化。
当外力作用于压电陶瓷时，晶格中的离子会发生位移，从而引起正负电荷的分离。
这种电荷分离产生的电势差可以用来发电或驱动其他电子设备。
压电陶瓷的主要特性包括以下几个方面：
1. 压电效应：压电陶瓷可以在被压缩或拉伸时产生电压，这个特性使得它可以应用于传感器、振动器等领域。
2. 可逆性：压电陶瓷的压电效应是可逆的，即当外力停止作用时，电荷分离消失，电势差恢复为零。
这使得压电陶瓷可以在需要时对外力作出反应，而不需要额外的能源输入。
3. 高稳定性：压电陶瓷具有高稳定性和抗疲劳性能，可以在较长时间内保持稳定的压电效应。
这使得它能够在恶劣环境下工作，如高温、高湿度等条件。
4. 宽频响特性：压电陶瓷具有宽频响特性，可以在很宽的频率范围内产生响应。
这使得它在振动传感器、声波发射器等领域有广泛的应用。
通过研究压电陶瓷的原理及特性，可以进一步优化它的性能，拓展其在各个领域的应用。
完整版压电陶瓷片的原理及特性
完整版压电陶瓷片的原理及特性压电陶瓷是一种可压电材料，当施加外力时会产生电荷累积，从而产生电压。
压电陶瓷的原理是基于压电效应，即当施加外力时，材料内部的正负电荷会重新排列，形成电荷不平衡。
这种电荷不平衡会导致材料产生电位差，即产生电压。
压电陶瓷片由于具有良好的压电性能，广泛应用于传感器、超声换能器、无线电设备、换能器、纳米位移器、振动器等领域。
它的特点和特性如下：1.高压电系数：压电陶瓷片具有较高的压电系数，能够将机械能转化为电能，并且具有较高的能量转化效率。
这使得压电陶瓷片在能量采集、传感和控制领域应用广泛。
2.宽温度范围：压电陶瓷片的工作温度范围通常较宽，可以在极端的高温或低温环境下正常工作。
这使得它在航天、航空以及极地等恶劣环境中的应用具有独特的优势。
3.频率响应范围广：压电陶瓷片能够在较宽的频率范围内工作，通常从几千赫兹到几百兆赫兹。
因此，在超声波成像、荧光光谱仪和无线电通信等领域中具有重要的应用。
4.稳定性好：压电陶瓷片的性能稳定，具有优异的机械和电学性能。
它不易受到外界环境的影响，具有较长的使用寿命。
5.易于加工与制造：压电陶瓷片可以通过多种加工方法加工成不同形状和尺寸，如切割、打孔、磨削等。
这使得它在不同应用场合下可以满足不同形状和尺寸的需求。
6.低功率消耗：压电陶瓷片的功率消耗较低，适合用于需要低功耗的场合，如无线传感、医疗设备等。
7.较高的精度和稳定性：由于压电陶瓷片的工作原理和特性，它可以实现较高的精度和稳定性。
可以采集到更加准确和稳定的电信号或实现更加精确的控制。
总而言之，压电陶瓷片具有高压电系数、宽温度范围、频率响应范围广、稳定性好、易于加工与制造、低功率消耗和较高的精度和稳定性等特点和特性。
这使得它在诸多领域中有着广泛的应用前景。
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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。
其优点是音域较宽。
音色较好。
>压电陶瓷片的测试方法
1、电压测试法
在业余条件下，可以用万用表的电压挡来检查压电陶瓷片的质量好坏，具体方法是：将万用表拨至2.5V直流电压档，左手拇指与食指轻轻握住压电陶瓷片的两面，右手持两支表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放在陶瓷表面上，如图1所示。
然后左手拇指与食指稍用力压紧一下，随即放松，压电陶瓷片上就先后产生两个极性相反的电压倍号，使指针先是向右捏一下，接着返回零位，又向左摆一下。
摆动幅度约为0.1~0.15V。
在压力相同的情况下，摆幅愈大，压电陶瓷片的灵敏度愈高。
若表针不动，说明压电陶瓷片内部漏电或者破损。
交换两支表笔位置后重新试验，指针摆动顺序应为：向左摆->回零->向右摆->回零。
在意事项：
①如果用交流电压档，就观察不到指针摆动情况，这是由于所产生的电压信号变化较缓慢的缘故。
②检查之前，首先用R×1k或R×10k档测量绝缘电阻，应为无穷大，否则证明漏电，压电陶瓷片受强烈震动而出现裂纹后，可用电烙铁在裂纹处薄薄地徐上一层焊锡，—般能继续使用。
③检查时用力不宜过大、过猛，更不得弯折压电陶瓷片；勿使表笔头划伤陶瓷片，以免损坏片子。
④若在压电陶片上一直加恒定的压力，由于电荷不断泄漏，指针摆动一下就会慢慢地回零。
2．电流测试法
利用万用表50uA挡，也可以检查压电陶瓷片的好坏。
电路如图2所示。
将红表笔接金属片，黑表笔接压电陶瓷表面。
两手沿轴向施以作用力+F、-F时，表针应向右摆几个微安；再松开手时，表针又向左摆几个微安；设施力与松力时间均为dt，则通过微安表的电流平均值分别为：I＝＋Q/△t，I2＝－Q/△t。
3．借助反相器测试法
前面介绍过压电陶瓷片有自激振荡式驱动和他激振荡式驱动两种方式，下面是根据第二种方式而设计的检查压电陶瓷片的电路图见图3现采用一片CC4069六反相器，由反相器F1和F2构成两级反相式阻容振荡器，F3起隔离作用。
接上压电陶瓷片后，即组成完整的蜂鸣器(BZ)电路。
图中的数字表示CC4069的管脚号。
实选R1为470kΩ可调电阻，C＝470pF，FR2＝1MΩ。
代入式
（f0=0.455/(R1C1)）中求出输出方波频率f0约为2kHz。
电源电压VDD选6~9V。
闭合开关S时，被测压电陶瓷片应能发声。
然后逐渐调整R1，当R1↑时，fo↑，音调升高；当R1↓时，fo↓，音调降低。
用这种方法还可测量压电陶瓷片的频率特性。
>压电陶瓷片的应用压电陶瓷片主要用于压电扬声器、传声器、超声延迟线、测量振动和测量压力的传感器、电话中的送受话器等方面作机械能(声能)转换成电能，或在低功率下由电能
转换成机械能的换能元件；也可应用于超声波清洗焊接、探伤、超声诊断、超声医疗、水声发射、引燃、引爆等作高压强功率时将电能转换成机械能的换能元件。