压电陶瓷测量原理..
压电陶瓷扫描器原理
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压电陶瓷扫描器原理压电陶瓷扫描器是一种常用于扫描和定位应用的设备,它利用了压电陶瓷材料的特性来实现精确的位置控制。
本文将介绍压电陶瓷扫描器的工作原理及其应用。
一、压电陶瓷的基本原理压电效应是指某些材料在受到外力作用时会产生电荷分布的现象。
压电效应是一种固体物质特有的电-机-声耦合效应,即通过施加机械应力来控制材料的电荷分布和声波的产生。
压电陶瓷是一类具有压电效应的陶瓷材料,常见的压电陶瓷材料有PZT(铅锆钛酸铅)、PMN-PT(铅镁酸铌-铅钛酸铅)等。
二、压电陶瓷扫描器的工作原理压电陶瓷扫描器通常由压电陶瓷片和驱动电路组成。
当驱动电路施加电压信号时,压电陶瓷片会受到电场的作用而发生形变。
由于压电效应的存在,压电陶瓷片的形变会导致电荷的重新分布,从而产生电信号。
通过调节驱动电路施加的电压信号,可以控制压电陶瓷片的形变,进而实现对扫描器的位置控制。
三、压电陶瓷扫描器的应用压电陶瓷扫描器广泛应用于光学领域和精密仪器中,具有以下几个优点:1. 高精度:压电陶瓷扫描器能够实现微米级别的位置控制,可以用于光学镜头的精确定位和调焦。
2. 快速响应:由于压电陶瓷材料的特性,压电陶瓷扫描器的响应速度非常快,适用于需要高速扫描和定位的应用。
3. 大位移范围:压电陶瓷扫描器的形变范围较大,可以实现大范围的位置调节。
4. 高稳定性:压电陶瓷扫描器的位置稳定性好,不易受到外界干扰。
在光学领域,压电陶瓷扫描器常用于激光束的扫描和调焦。
通过控制压电陶瓷扫描器的形变,可以改变激光束的入射角度和焦距,从而实现对光束的精确控制。
在精密仪器中,压电陶瓷扫描器也被广泛应用于精密定位和调节。
例如在扫描电镜中,压电陶瓷扫描器可以用于控制电子束的扫描范围和位置,实现高分辨率的图像获取。
总结起来,压电陶瓷扫描器是一种利用压电陶瓷材料的特性实现精确位置控制的设备。
它通过调节驱动电路施加的电压信号来控制压电陶瓷片的形变,从而实现对扫描器的位置调节。
压电陶瓷的工作原理
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压电陶瓷的工作原理
首先,我们来看压电效应。
当外力作用在压电陶瓷上时,它会引起晶格结构的
畸变,从而使得陶瓷内部产生极化。
这种极化会导致正负电荷的分离,最终产生一个电场,这就是压电效应。
这个电场的大小与施加在压电陶瓷上的力成正比,这就是为什么压电陶瓷可以将机械能转换为电能的原因。
其次,我们来看反压电效应。
当外加电压施加在压电陶瓷上时,它会改变陶瓷
内部的极化方向,从而引起晶格结构的畸变,最终导致陶瓷的形变。
这就是反压电效应,也就是说,压电陶瓷可以将电能转换为机械能。
通过上面的介绍,我们可以看出,压电陶瓷的工作原理是基于压电效应和反压
电效应的相互转换。
这种特殊的性质使得压电陶瓷在声波传感器、压力传感器、振动传感器等领域有着重要的应用。
同时,在压电陶瓷驱动器、压电陶瓷换能器等方面也有着广泛的应用。
总的来说,压电陶瓷的工作原理是非常特殊和重要的,它的应用领域也非常广泛。
通过对其工作原理的深入理解,我们可以更好地发挥其作用,推动科技的进步,为人类社会的发展做出更大的贡献。
希望本文能够对压电陶瓷的工作原理有所帮助,谢谢阅读。
压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
(一)压电陶瓷的主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。
(2)压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,C I 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为CRI I C R ωδ1tan ==其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大,能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为:π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。
压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。
由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。
同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。
(一)压电陶瓷得主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。
(2)压电陶瓷得主要参数1、介质损耗介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。
机械品质因数越大,能量得损耗越小。
产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。
机械品质因数得定义为:机械品质因数可根据等效电路计算而得式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。
压电陶瓷的工作原理与应用
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压电陶瓷的工作原理与应用1. 什么是压电陶瓷?压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料,具有特殊的物理性质。
当施加压力或电场时,压电陶瓷会发生正比例的形变或电荷分布变化。
其工作原理基于压电效应,即通过施加压力或电场激发压电陶瓷产生形变或电荷分布的变化。
压电陶瓷材料主要由氧化物和复合材料组成,具有稳定的物理和化学性质。
2. 压电陶瓷的工作原理压电陶瓷的工作原理基于压电效应,分为压电效应和逆压电效应两种模式。
2.1 压电效应压电效应是指当施加机械应力于压电陶瓷时,会在材料内产生电荷分离。
这种电荷分离是由于晶格结构的变化所引起的。
压电效应的量级与施加的压力成正比。
压电效应是压电陶瓷实现能量转换、传感和控制的基础。
2.2 逆压电效应逆压电效应是指当施加电压于压电陶瓷时,会导致陶瓷的形变。
施加电压使得陶瓷内部的电荷重分布,进而引起形变。
逆压电效应可以通过改变施加的电压来精确控制压电陶瓷的形变,因此广泛应用于执行器和传感器等领域。
3. 压电陶瓷的应用压电陶瓷由于其独特的物理性质和工作原理,在众多领域中有着广泛的应用。
3.1 压电陶瓷传感器压电陶瓷传感器是利用压电效应对外界压力或应力进行测量的传感器。
通过安装压电陶瓷传感器可以实现对力、质量、压力等物理量的测量和检测。
压电陶瓷传感器广泛应用于工业自动化、航空航天等领域中。
3.2 压电陶瓷应用于超声波技术压电陶瓷在超声波技术中起到重要的作用。
通过施加交变电场,压电陶瓷可以产生超声波。
超声波技术在医学成像、材料检测和土木工程中有着广泛的应用。
3.3 压电陶瓷控制器压电陶瓷控制器是通过施加电压控制陶瓷的形变的装置。
压电陶瓷控制器可以用于精确控制执行器、阀门等的位置和形变。
在精密仪器、机械控制等领域中被广泛应用。
3.4 压电陶瓷用于发电压电陶瓷可以通过压电效应转换机械能为电能。
将压电陶瓷放置在机械振动环境中,可以利用振动能量产生电能。
这种方法在一些低功率应用中具有潜力,如自动感应式无线传感器等。
压电陶瓷原理
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压电陶瓷原理
压电陶瓷是一种新型的可智能化的复合材料,由于它具有良好的绝缘、耐腐蚀、耐磨性以及高可塑性,被广泛应用于电子产品及航空航天等
领域。
压电陶瓷的原理是将相对于空间排列周期性变化的原子和分子
团组织成晶体,使晶体具有压电效应,从而实现智能控制。
首先,压电陶瓷主要是晶体结构,它由微小的晶体单元组成,这些晶
体单元各自之间有独特的水平排列,并在晶体结构中逐渐变得密密麻麻。
当外加电场作用于晶体结构时,其中的电子便会受到影响而产生
充放电现象。
其次,根据压电力学原理,晶体结构中的电子将受到压电力的侵蚀,
从而使晶体结构中的原子和分子团组织处于可智能化的柏拉图方程状态,使晶体具有压电效应,实现对电磁场的智能控制。
第三,压电陶瓷原理的应用可分两部分,即转换部分和控制部分。
转
换部分可将电能转换为机械能,如驱动电机,实现智能控制;控制部分,通过压电陶瓷装置可以实现对电磁场的控制,如实现智能定向控制。
最后,压电陶瓷技术的应用逐渐得到了普及,它已经成功用于驱动小
型电机、控制电磁场等等,在航空航天、电子产品等多个领域都得到
了广泛的应用,并发挥出了重要的作用。
总之,压电陶瓷原理是一种可智能化的复合材料,它的发展与应用可
为电子产品及航空航天等多个领域带来重大的改变,未来具有广阔的
发展前景。
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。
压电陶瓷测量原理
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压电陶瓷测量原理1. 引言压电陶瓷是一种特殊的材料,具有压电效应,即在施加压力或电场时能够产生电荷分布和电势差。
压电陶瓷广泛应用于传感器、压力计、振动器等领域。
本文将详细介绍压电陶瓷的测量原理及其应用。
2. 压电效应压电效应是指在压电材料中,当施加外力或电场时,会产生电荷分布和电势差。
这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非对称性,导致电荷分布不均匀。
常见的压电材料包括压电陶瓷、压电晶体等。
3. 压电陶瓷的结构与特性压电陶瓷由多种金属氧化物组成,具有良好的压电性能。
它的结构通常由晶粒和孔隙组成,晶粒之间通过晶界连接。
这种结构使得压电陶瓷具有较高的压电系数和较低的机械损耗。
4. 压电陶瓷的测量原理压电陶瓷的测量原理基于压电效应。
当施加压力或电场时,压电陶瓷会发生形变,并产生电荷分布和电势差。
通过测量电荷分布或电势差的变化,可以间接获得施加的压力或电场的大小。
4.1 压力测量原理在压力测量中,将压电陶瓷固定在一个支撑结构上,施加外力使其发生形变。
由于压电效应,形变会导致电荷分布和电势差的变化。
通过测量电荷分布或电势差的变化,可以计算出施加的压力。
4.2 电场测量原理在电场测量中,将压电陶瓷放置在一个电场中,施加电压使其发生形变。
同样地,形变会导致电荷分布和电势差的变化。
通过测量电荷分布或电势差的变化,可以计算出施加的电场强度。
5. 压电陶瓷的应用压电陶瓷具有广泛的应用领域,以下列举几个常见的应用:5.1 压力传感器利用压电陶瓷的压电效应,可以制造高精度的压力传感器。
通过测量压电陶瓷的电荷分布或电势差的变化,可以准确测量压力的大小。
5.2 振动器压电陶瓷可以用作振动器,例如在手机中的蜂鸣器。
施加电压时,压电陶瓷会发生形变,产生声音。
5.3 压电陶瓷马达压电陶瓷马达是一种利用压电效应产生的振动力来驱动的马达。
它具有体积小、重量轻、响应速度快等优点,广泛应用于精密仪器和医疗设备中。
6. 结论压电陶瓷是一种特殊的材料,具有压电效应。
压电陶瓷扫描器原理

压电陶瓷扫描器是一种利用压电效应实现扫描运动的设备,常用于光学和激光扫描系统中。
其原理如下:
压电效应:压电材料具有压电效应,即在外加机械力或电场作用下,会发生形变和电荷分布的变化。
压电陶瓷片:压电陶瓷扫描器通常由一个或多个压电陶瓷片构成。
这些陶瓷片在施加电压时,会发生微小的形变,并将形变转化为机械位移。
扫描运动:当在压电陶瓷片上施加电压时,它们会产生微小的形变,使得陶瓷片产生弯曲或伸缩。
通过控制施加的电压和频率,可以控制陶瓷片的形变和运动方式。
光学或激光系统:压电陶瓷片通常与光学或激光扫描系统结合使用。
通过将光束或激光束聚焦到压电陶瓷片的表面,当陶瓷片发生形变时,光束也会随之扫描或移动。
这样可以实现对光束的精确控制和扫描。
扫描精度和速度:压电陶瓷扫描器的扫描精度和速度取决于施加在陶瓷片上的电压、频率和陶瓷片的性能。
通过调节这些参数,可以实现高精度和快速的扫描运动。
总之,压电陶瓷扫描器利用压电效应将电能转化为机械运动,从而实现光学或激光系统中的精确扫描控制。
它具有响应快、精度高和耐用性强等特点,被广泛应用于许多领域,如激光打印、光学成像和光纤通信等。
压电陶瓷的原理和应用

压电陶瓷的原理和应用概述压电陶瓷是一种特殊的材料,它具有压电效应,能够将机械能转化为电能。
压电陶瓷在许多领域都有广泛的应用,如声音传感器、振动马达、压力传感器等。
本文将介绍压电陶瓷的原理和一些常见的应用。
压电效应原理压电效应是指当施加在压电材料上的压力或变形时,会在其表面产生电荷。
这种效应是由于压电材料的晶格结构具有非对称性导致的。
压电效应可以通过外电场和外压力来激活,也可以通过压电材料的自身应力来激活。
压电陶瓷的结构压电陶瓷通常由铁电陶瓷和铅酸铌酸铁锆陶瓷两种材料组成。
铁电陶瓷具有铁电性质,能够在外电场的作用下产生电荷。
而铅酸铌酸铁锆陶瓷则具有高压电效果。
常见应用声音传感器压电陶瓷在声音传感器方面有着广泛的应用。
它可以将声波转化为电信号,用于测量声音的频率和强度。
声音传感器常被应用于无线通讯设备、音频设备等。
振动马达压电陶瓷的振动性能使其成为振动马达的理想材料。
通过施加交变电场,压电陶瓷可以产生机械振动,用于实现各种振动设备,如手机震动、电动牙刷等。
压力传感器由于其压电效应,压电陶瓷可用于制造高灵敏度的压力传感器。
当施加压力时,压电陶瓷会产生电荷输出,用于测量压力的大小。
压力传感器广泛应用于工业自动化、机械设备等领域。
超声波产生器压电陶瓷可以将电能转化为超声波的机械能,因此被广泛应用于超声波产生器中。
通过控制电场的频率和强度,压电陶瓷可以产生高频率的超声波,用于医疗成像、清洗设备等。
光学设备压电陶瓷的机械性能和光学性能使其成为光学设备中的重要组成部分。
压电陶瓷可以用于调整光学元件的位置和形状,实现自动对焦、光阑调控等功能。
总结压电陶瓷凭借其独特的压电效应,在许多领域都有着重要的应用。
从声音传感器到光学设备,压电陶瓷都为这些设备的正常运行提供了关键的功能支持。
随着科学技术的不断发展,压电陶瓷的应用前景将会更加广阔。
天津大学工程光学实验——压电陶瓷特性测量

d 2 1 2nL
光程差没变化一个波长干涉条纹就明暗变化一次,则测量过程中 d 相对 应的干涉条纹变化次数为
实验内容 1. 推导出位移 L 和条纹变化数 N 的关系式。 2. 测量位移 L 与电压 U 的关系,并表述 U-L 曲线。 3. 计算出最大位移量 Lmax。 实验要求 1. 调整激光器使光束与平台平行,并进行扩束。
位移l和条纹变化数n的推导设在测量开始时一束激光经分光器g分成两束它们经参考反射镜m1和目标反射镜m2后沿原路返回并在分光电处重新相遇两束光的光程差为为目标反射镜m2到分光点的距离为参考镜m1到分光点的距离
天津大学本科生实验报告ห้องสมุดไป่ตู้
课程名称:压电陶瓷特性测量 实验二
一、 实验目的
姓名:
学号:
学院:精仪学院
Lmax 10.76 m
1. 通过实验掌握激光测长仪的基本工作原理; 2. 掌握搭设激光光路的基本方法与技巧; 3. 学会用干涉方法测量微小位移。 二、 实验原理 测量位移是迈克尔逊干涉仪的典型应用,测量原理如图-1 所示。 由 He-Ne 激光器发出的光 经分光镜 G 后,光束被分成两 路,反射光射向参考镜 M1(固 定) , 透射光射向测量镜 M2 (可 移动) ,两路光分别经 M1、M2
N
式中 0 为激光光波中心波长。
d 2nL 0 0
天津大学本科生实验报告
课程名称:压电陶瓷特性测量 姓名: 学号: 学院:精仪学院
五、 思考题 实验原理光路中未加补偿镜,为什么?请说明原因。 答:由于实验中使用单色光,光程损失可以通过调节参考反射镜的位置进行 补偿,这样就可以免去补偿镜。
反射后,在接受屏 P 处产生干涉,通过测出条纹的变化数可计算出位移量, 这就是激光测长仪的基本原理。 三、 实验仪器
压电陶瓷测量原理

压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
(一)压电陶瓷的主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。
(2)压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,C I 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为CRI I C R ωδ1tan ==其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大,能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为:机械品质因数可根据等效电路计算而得式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。
压电陶瓷测量原理
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压电陶瓷测量原理压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
(一)压电陶瓷的主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。
(2)压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,CI 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大,能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数mQ 的定义为: π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。
阐述压电陶瓷的应用原理
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阐述压电陶瓷的应用原理什么是压电陶瓷?压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料。
压电效应是指在施加压力或扭矩时,材料会产生电荷的积累,从而产生电压差。
同样地,当施加电压时,材料会发生尺寸变化,即产生压力或扭矩。
压电陶瓷的应用原理压电陶瓷的应用原理基于压电效应。
当施加外力或电场时,压电陶瓷会发生相应的尺寸变化或电荷分布,从而实现特定功能或产生特定效应。
以下是压电陶瓷的几个常见应用原理:1.压电传感:压电陶瓷具有良好的压力传感性能。
当施加压力或力量时,压电陶瓷会产生电荷的积累或电势差变化,从而可以转化为物理量的测量。
常见的应用包括压力传感器、位移传感器等。
2.压电驱动:压电陶瓷在施加电场时会产生尺寸变化。
通过控制电场的大小和方向,可以实现精确的位移或运动控制。
压电陶瓷的应用领域包括精密仪器、机器人、精确定位系统等。
3.压电发电:压电陶瓷具有反向的压电效应,即在施加力量或压力时会产生电能。
这种原理可以用于能量收集和转换。
一些压电材料被广泛应用于振动能量收集、传感器供电等领域。
4.声波产生和控制:压电陶瓷的尺寸变化和电荷分布可以用于产生和控制声波。
将压电陶瓷作为发射器或接收器可以用于超声波传感、声波测距和声学传输等应用。
5.扩展和收缩控制:压电陶瓷具有良好的机械性能,在应用时可以根据需要进行控制。
通过调整电场的大小和方向,可以实现压电陶瓷的收缩和扩展,应用于精密加工、调节装置、控制阀门等。
总结压电陶瓷的应用原理基于其压电效应。
通过施加外力或电场,压电陶瓷可以产生电荷的积累或尺寸变化,从而实现特定功能。
压电陶瓷被广泛应用于传感、驱动、发电、声波产生和控制、扩展和收缩控制等领域。
随着科学技术的发展,压电陶瓷在更多领域得到应用,为我们的生活和工作带来了便利和创新。
压电陶瓷的工作原理
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压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷是一种用于从事机械生产、测试和控制的电工器材,它的原理主要是由电子驱动的机械原理。
压电陶瓷是一种高纯度电子陶瓷,它能够在电压作用下产生机械能量。
压电陶瓷最重要的特点是它能够由电场来控制,这使它成为电动化控制中非常重要的一环。
压电陶瓷的工作原理是将输入的电场能量转变为机械能量,当输入一定大小的电场时,电场能量也会因此而发生变化,从而产生新的机械能量。
同样的,当电压发生变化时,压电陶瓷也会发生变化,从而使机械能量也会随着电压的变化而发生变化。
压电陶瓷的主要原理是电场控制机械能量变化,当电场变换时,压电陶瓷也会发生变化,从而使机械能量也会随着电场变化而发生变化。
为了增强其在电场控制中的作用,一般会在表面覆盖一层薄膜,以增加电压的变化率。
压电陶瓷的应用非常广泛,最常用的应用包括驱动机械、调节温度和压力、控制振动、用于激发音响及记录信号等。
压电陶瓷用于传动电磁器件,比如电机、气动马达、脉冲调节器,可提高应用的效率和性能,因此它是机械生产中不可缺少的一部分。
压电陶瓷还可以应用于某些电子设备上,如定位和跟踪,激光冲击器等。
它们能够把电场能量转变成机械能量,从而起到控制、定位和跟踪等功能。
以上就是压电陶瓷的工作原理,它是机械生产、测试和控制中非常重要的一环,具有广泛的应用前景。
今后,压电陶瓷可以被用于更
多的电气控制,发挥更大的作用,为机械控制技术的发展和应用贡献出自己的一份力量。
压电陶瓷测量基本知识
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压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
(一)压电陶瓷的主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。
(2)压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图1 所示,C I为同相分量,R I为异相分量,C I与总电流I 的夹角为 ,其正切值为CR I I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大,能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为:π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。
压电陶瓷测量原理
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压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
(一)压电陶瓷的主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。
(2)压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,C I 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为CRI I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大,能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为:π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。
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压电陶瓷及其测量原理近年来,压电陶瓷的研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中,成为不可或缺的现代化工业材料之一。
由于压电材料的各向异性,每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同,这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。
同时,压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。
(一)压电陶瓷的主要性能及参数(1)压电效应与压电陶瓷在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例的介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。
这两种正、逆压电效应统称为压电效应。
晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式,即晶体的对称性所决定。
在声波测井仪器中,发射探头利用的是正压电效应,接收探头利用的是逆压电效应。
(2)压电陶瓷的主要参数1、介质损耗介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。
在交变电场下,电介质所积蓄的电荷有两种分量:一种是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。
介质损耗是异相分量与同相分量的比值,如图 1 所示,C I 为同相分量,R I 为异相分量,C I 与总电流 I 的夹角为δ,其正切值为CRI I C R ωδ1tan == 其中ω 为交变电场的角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图(有损耗时)2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度的一个参数,它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。
机械品质因数越大,能量的损耗越小。
产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。
机械品质因数m Q 的定义为:π2的机械能谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械⨯=m Q机械品质因数可根据等效电路计算而得 11111R L C R Q s s m ωω==式中1R 为等效电阻(Ω),s ω 为串联谐振角频率(Hz ),1C 为振子谐振时的等效电容(F ),1L 为振子谐振时的等效电感。
m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。
不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同,在大多数的场合下(包括声波测井的压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。
3、压电常数压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。
其产生的电荷与施加的应力成比例,对于压力和张力来说,其符号是相反的,电位移 D (单位面积的电荷)和应力σ 的关系表达式为:dr AQ D == 式中 Q 为产生的电荷(C ),A 为电极的面积(m ²),d 为压电应变常数(C/N )。
在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ,所产生的应变 S 是膨胀还是收缩,取决于样品的极化方向。
S=dE两式中的压电应变常数 d 在数值上是相同的,即ES Dd ==σ 另一个常用的压电常数是压电电压常数 g ,它表示应力与所产生的电场的关系,或应变与所引起的电位移的关系。
常数 g 与 d 之间有如下关系: εd g =式中ε为介电系数。
在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高的压电应变常数和压电电压常数,以便能发射较大能量的声波并且具有较高的接受灵敏度。
4、机电耦合系数当用机械能加压或者充电的方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应和逆压电效应,机械能(或电能)中的一部分要转换成电能(或机械能)。
这种转换的强弱用机电耦合系数 k 来表示,它是一个量纲为一的量。
机电耦合系数是综合反映压电材料性能的参数,它表示压电材料的机械能和电能的耦合效应。
机电耦合系数的定义为:k ²=输入电能电能转变为机械能或者k ²=输入机械能机械能转变为电能 机电耦合系数不但与材料参数有关,还与具体压电材料的工作方式有关。
对于压电陶瓷来说,它的大小还与极化程度相关。
它只是反映机、电两类能量通过压电效应耦合的强弱,并不代表两类能量之间的转换效率。
压电材料的耦合系数在不同的场合有不同的要求,当制作换能器时,希望机电耦合系数越大越好。
(二)压电换能器的等效电路压电换能器的等效电路表示法,是利用电学网络术语表示压电陶瓷的机械振动特性,即把某些力学量模拟为电学量的方法。
把压电换能器用等效电路来表示,有很多优点:其一,可以把力学上复杂的振动问题有效地进行简化;其二,为了得到换能器的各个参数,从而定量地分析或筛选换能器;其三,实际应用的需要,因为在实际的应用当中,压电换能器也是接入到具体的电子线路中的,得到压电换能器的等效电路能够更好地对其外围电路进行匹配设计。
由此可见,得到压电换能器的等效电路是十分必要的。
2.3 压电换能器的谐振特性将压电换能器按照图 2-2 所示线路连接。
当改变信号频率时,可以发现,通过压电陶瓷换能器的电流也随着发生变化,其变化规律如图 2-3(a )所示。
从图2-3(a )可以看出,I;而当信号变到另一当信号为某一频率m f时,通过压电陶瓷换能器的电流出现最大值m axI。
由流经它的电流随频率的变化可以看出,压电陶瓷频率n f时,传输电流出现最小值m in换能器的阻抗是随频率的变化而变化的,其变化规律同电流相反,如图2-3(b)所示。
图2-2 压电陶瓷换能器谐振特性接线示意图图2-3 压电陶瓷换能器电流、阻抗同频率的关系曲线(a)电流-频率关系曲线(b)阻抗-频率关系曲线从图中可以看出,当信号频率为m f时,通过压电陶瓷换能器的电流最大,即其等效阻抗最小,导纳最大;当信号频率为n f时,通过压电陶瓷换能器的电流最小,即其等效阻抗最大,导纳最小。
因此把m f称为最大导纳频率或最小阻抗频率;而把n f称为最小导纳频率或最大阻抗频率。
而当信号频率继续增大时,还会出现一系列的电流的极大值和极小值,如图2-4 所示。
图2-4 压电陶瓷换能器电流随频率变化示意图(多谐振模式)2.2.4 压电换能器的等效电路根据交流电路相关知识,对于图2-5 所示好的LC 电路来说,其阻抗Z 也随着频率的变化而变化。
在图2-2 所示的线路中,用LC 电路代替压电陶瓷换能器,可以发现,在压电陶瓷换能器的谐振频率处,只要选择合适的1L、1C、1R和0C,通过LC 电路的电流和LC 电路的阻抗的绝对值随频率的变化曲线,分别同图2-1中的(b)和(c)的关系曲线非常相似。
也就是说,在串联谐振频率附近,压电陶瓷换能器的阻抗特性和谐振特性同LC 电路的阻抗特性和频率特性非常相似。
因此,利用机电类比的方法,可以用一个LC 电路来表示压电陶瓷换能器的参数和特性,这个LC 电路即为压电陶瓷换能器的等效电路。
图2-5 LC 电路对压电陶瓷换能器来说,在任何串联谐振频率附近,其电行为可以用图2-3所示的LC 电路来表示。
在压电陶瓷换能器的串联谐振频率附近,如果值存在一种振动模式,即没有其它寄生响应,则在串联谐振频率附近很窄的频率范围内,可以认为压电陶瓷换能器的等效参数1R、1C、1R和0C与频率无关。
在实际中通过选择合适的尺寸进行加工处理,是可以将所需要的振动模式同其他模式充分隔离开来的。
另外,考虑到在实际中,在通电之后,压电陶瓷换能器必然会存在能量的损耗,这一R来等效。
所以其最终等效电路图如图2-6所示。
能量损耗可用一个并联电阻图 2-6 压电陶瓷换能器等效电路图 图中串联支路中的1L 称为压电陶瓷换能器的动态电感,1C 称为动态电容,1R 称为动态电阻。
这三个参数用来表征压电陶瓷换能器在工作(加电源激励产生振动)的情况下,振动部分所受到的力阻抗和介质对振动的反作用的强弱。
并联电容 0C 又称静态电容,表征压电陶瓷换能器在未加激励的情况下等效为一个纯电容,它的值的大小与换能器的形状有关。
并联电阻 0R 又称静态电阻,表征换能器的电损耗的大小。
2.2.5 压电换能器的导纳特性根据已得到的压电换能器的等效电路图,来进一步分析其导纳特性。
为了简化推导,先假定压电陶瓷换能器没有电损耗,即 0R =0,此时其等效电路即为一个 LC 电路,如图 2-5 所示。
则 10Y Y Y += (2-1)式中:Y 为换能器的总的导纳值,000ωj jB Y ==为并联支路的导纳值,111jB G Y ==为串联支路的导纳值。
先对串联支路进行分析。
000ωj jB Y ==)1()1(11111211111111C L R C L j R C j L j R Z ωωωωωω-+--=++==得到: 211111)1(2C L R R G ωω-+=,2111111)1()1(2C L R C L B ωωωω-+--= (2-2) 若令x C L R =-+2111)1(2ωω则)1(1112C L R x ωω-=-。
由式(2-2)可得:11G R x =,111111*********)()(R G G R x R G R x R G B +-=-=--= 所以,0111122=-+R G G B 两边同时加上21)21(R ,可得211211)21()21(2R B R G =+-(2-3) 若以电导为横坐标,电纳为纵坐标,则式(2-3)表示一个以(121R ,0)为圆心,121R 为半径的圆,也即是我们所说的导纳圆。
如图 2-7 中虚线所示图 2-7 导纳圆图 对于串联支路进行分析,根据串联谐振频率的定义,令 1B =0,则由式(2-3)可得到 1G =0 或 111R G =。
由于实际的压电陶瓷换能器的动态电阻 0R 不可能为零,根据式(2-2)中1G 的表达式可以知道,只有111R G =满足串联谐振的条件。
即:0111=-C L ωω,所以可以得到串联支路的谐振频率(又称机械共振频率):111C L s =ω (2-4) 接着考虑加入静态电容后的情况。
由式(2-1)可知,考虑静态电容后换能器的导纳相当于在串联支路的电纳(虚部)加上 0Y 。
鉴于一般情况下,压电陶瓷换能器的机械品质因数都较大,也即在串联谐振频率s ω 附近,00C j Y ω=的值随频率的变化很小,可以近似认为是一个常数。
因此,只需将串联支路所得到的导纳圆的纵坐标向上平移一个常数,而横坐标保持不变即可得到加入静态电容后换能器的导纳关系图,如图 2-7 中点划线所示。
若再考虑到换能器的静态电阻并不为零,则实际中的导纳圆不可能与纵轴相切,而是向横轴的正向平移一定的量(平移距离的大小取决于静态电阻的阻值),如图 2-7 中实线圆所示对导纳圆图进行简要的分析可知:当s f f <即s ωω<时,电纳值大于零,当s f f >即s ωω>时,电纳值小于零。