压电原理及材料..
压电材料的基础原理与应用
压电材料的基础原理与应用作为一种重要的材料，压电材料在电子技术、信息技术、汽车、机械设备等领域都有广泛应用。
本文将介绍压电材料的基础原理以及其在各个领域的应用。
一、压电效应压电效应是指某些晶体材料在受到机械压力或施力时，会出现电荷分离的现象。
这种电荷分离现象称为压电效应。
简单来说，就是给这些材料施加机械力，可以使其产生电荷，并且产生电荷的大小与施加的压力成正比。
压电效应的产生与晶体材料的对称性有关。
在晶体材料内部，正负电性不均匀分布，会导致内部电偶极矩的存在。
当外力作用于材料表面时，电偶极矩受到扰动，变得不均匀，电子便会发生运动，从而产生电荷分离现象。
二、压电材料的分类根据压电材料的性质，可以将其分为无机压电材料和有机压电材料两大类。
1.无机压电材料无机压电材料是指由无机晶体、陶瓷或玻璃等制成的具有压电效应的材料，如石英、锆钛酸钠等。
它们具有硬度高、强度大、稳定性好等优点，因此在精密仪器、传感器、开关等领域有广泛应用。
2.有机压电材料有机压电材料是指由含有大量偶极基团的有机分子、聚合物体系等制成的材料，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）等。
它们具有柔软性好、易制备、可塑性强等优点，因此在医疗、柔性电子等领域有广泛应用。
三、压电材料的应用压电材料凭借着其优秀的性能，在各个领域得到广泛应用。
1. 电子技术领域压电材料作为一种智能材料，可以在电子技术领域发挥重要作用。
如原子力显微镜、纳秒振荡器、压电石英晶体振荡器等，都是利用压电效应来实现检测或控制。
2. 汽车领域汽车领域中，压电材料可以应用于汽车的减震器、刹车片、发电机、感应器等部件。
利用压电材料的特殊性质，可以减小汽车运行时的噪音和振动，提高汽车的安全性和运行效率。
3. 机械设备领域机械设备中，压电材料可以作为传感器，用于检测物体的压力、重量和形状等信息。
同时，它还可以作为执行器，将电能转换为机械能，实现对机器的控制。
4. 医疗领域在医疗领域，压电材料可以作为生物医学传感器，用于检测心跳、血压、体温等生理信息，可以大大提高医疗诊断的精准度。
第三章 压电、热释电与铁电材料
阻 抗
谐振
fm1
fn1
频率 f
LOGO
＊2
（1）
晶体振荡电路
石英晶体的谐振特性与等效电路
石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件, 其结构和外形如图7.12 所示。 石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切 下的薄片, 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接
各个能量的含义： 1 E U mm Sij TiT j；机械能密度。 2 1 T U ee mn Em En；介电能密度。 2 1 U me d mj EiT j；机械 -电相互作用能密度。 2
LOGO
工程技术上的含义： 机械能转变的电能 正压电效应：K 输入的机械能 电能转变的机械能 2 逆压电效应：K 输入的电能
Tj
- hmj Dm
压电刚度常数
C Si
开路弹性劲度常数
D ji
负号的含义
允许极化时，造成同等应变需要的应力降低
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正压电效应：D dT 逆压电效应：S [ d ] E
T
T
TE
S T
E
正压电效应：D eS 正压电效应：E - gT 逆压电效应：S [ g ] D
各向异性的情形： D1 11 E1 12 E2 13 E3 D2 21 E1 22 E2 23 E3 D3 31 E1 32 E2 33 E3
D1 11 12 D2 21 22 D 3 31 32
LOGO
（3）压电效应产生的条件
晶体结构没有对称中心。 压电体是电介质。 其结构必须有带正负电荷的质点。即压电体 是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
压电材料、原理、应用精讲
z
x
y
o
01
PART ONE
石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
d11——x方向受力,x方向产生电量的压电系数
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx，其大小为
32种点群中，21种点群没有对称中心，其中20种点群具有压电效应，其中只有10种点群具有热释电效应及自发极化，而其中具有电滞回线的才是铁电体。
自发极化
所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。
薄圆片径向振动
Np=fr×D
薄板厚度伸缩振动
Nt=fr×t
细长棒K33振动
N33=fr×l
薄板切变K15振动
N15=fr×lt
D为圆片的直径
t为薄板的厚度
l为棒的长度
lt为薄板的厚度
6.2.2 压电材料简要发展历史
02
1880 年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。
2、机电耦合系数Kp
ห้องสมุดไป่ตู้
01
伸缩振动：极化方向与电场方向平行时产生的振动。
02
包括长度伸缩振动、厚度伸缩振动。
03
切变振动：极化方向与电场方向垂直时产生的振动。
04
包括平面切变振动、厚度切变振动。
05
纵向效应：弹性波传播方向与极化轴平行。
06
横向效应：弹性波传播方向与极化轴垂直。
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。
压电材料的物理原理及其应用
压电材料的物理原理及其应用压电材料是一种可以将机械能转化为电能或者电能转化为机械能的特殊材料。
这种材料可以应用在各种电子设备，如传感器、路由器、手机屏幕等等，受到越来越多人的关注和追捧。
本文将从压电材料的物理原理以及其应用方面入手，向读者进行探索。
一、压电材料的物理原理在物理原理上，压电材料是一种能够在受到压力或者拉力的时候产生电荷或者电压的材料。
这种特殊的性质源于压电效应，也被称为反弹效应或者是压电效验。
它是一种本质上的相互转化，将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
压电材料之所以可以产生压电效应主要是因为，当其在受到外力作用后，晶体的结构会发生变化，导致电荷的不对称。
具体来说，当压电材料中的正负离子在变形时，它们会在材料复合中产生极化，从而创建出电场。
这个电场可以够通过材料的磁极连接至电路，被采用或者操作。
二、压电材料的应用作为一种功能性材料，压电材料的应用比较广泛，特别是在电子和声学领域。
下面我们将从不同的领域来讲述压电材料的应用。
1. 传感器和控制器由于压电材料具有良好的响应性能，可以将噪声或者震动转化为可读的信号，因此可以用于汽车或者船舶等汽车控制系统中。
此外，压电材料还可以用于测量或检测压力、温度、湿度、强度等相关参数，并将这些参数转化为真实数据。
2. 声学和振动应用压电材料在声学领域的应用较为普遍，主要是利用压电陶瓷来制造超声波探测器。
压电材料还用于振动能量的变换，通过振动把机械能转化为电能。
在喇叭、可控滤波器等设备中，技术人员使用压电材料来产生振动。
3. 压电陶瓷的应用压电陶瓷是一种常见的压电材料，其在声音和振动识别方面有着广泛的应用。
在汽车制造业中，压电陶瓷被应用于发动机的控制、排放控制、振动控制等领域中。
4. 压电材料在医学上的应用压电材料在医学上的应用也逐渐受到人们的重视。
例如，自动血压计就是利用压电陶瓷技术来完成血压测量的。
另一个例子是耳科设备，由于模型大小问题，针尖型激光设备是怎么都插不进人耳里的，此时就可以使用华表和压电材料制成。
关于压电效应产生的原理
关于压电效应产生的原理
压电效应是指在某些晶体或陶瓷材料中，施加外力或变化温度时，会引起这些材料内部电荷分布的改变，从而产生电势差，进而产生电场。
这种材料称为压电材料。
压电效应的产生原理是基于晶体或陶瓷材料的结构对称性的改变。
在研究中发现，压电效应主要由两种机制共同作用导致：直接压电效应和逆压电效应。
直接压电效应：
当外力施加在压电材料上时，材料中的晶格结构会发生畸变，导致原子或离子的位置发生变化。
这种结构畸变会改变材料中的电荷分布，使材料的总电荷发生改变。
由于电荷的改变会产生电场，进而产生电势差（电压）。
这就是直接压电效应。
逆压电效应：
与直接压电效应相反，逆压电效应是指当施加外电场或改变温度时，压电材料会发生形状的变化。
这种形状变化是由于电场的作用导致电荷的重新分布，从而导致晶格结构或分子定向发生改变。
逆压电效应使得压电材料能够产生机械运动，如振动或变形。
总的来说，压电效应的产生主要是由于压电材料中的晶体结构产生畸变或分子定向改变，从而导致电荷分布的改变，最终引起电势差的产生。
这个原理被广泛应
用于压电传感器、压电振荡器、压电陶瓷等领域。
压电效应的原理与应用
压电效应的原理与应用1. 压电效应的概述•定义：压电效应是指某些物质在受到压力或拉伸时，会在其表面上产生电荷分布不均的现象。
•压电效应的发现：压电效应最早被发现于1880年代，由法国物理学家 Jacques and Pierre Curie 提出，并成为他们获得1903年诺贝尔物理学奖的主要原因之一。
2. 压电效应的原理•纵向压电效应：当压电材料受到纵向应力时，会在其表面上产生正负电荷。
这是由于晶体中正负电荷的不对称性造成的。
•横向压电效应：当压电材料受到横向应力时，会在其表面上产生电场形变。
这是因为晶体中的正负离子会沿着压力方向移动，导致电场的改变。
•压电材料：具有压电效应的材料主要包括石英、铁电晶体、锆酸钛等。
3. 压电效应的应用1.传感器领域•压力传感器：利用压电材料的压电效应，能够将应力的变化转化为电信号输出，用于测量压力的变化，广泛应用于工业控制、医疗设备等领域。
•加速度传感器：压电材料的压电效应能够将加速度的变化转化为电信号输出，用于测量物体的加速度变化，被广泛应用于汽车、航空航天等领域。
2.声学领域•压电陶瓷扬声器：利用压电材料的压电效应，可以将电能转化为声能，实现声音的放大和扬声功能，被广泛应用于音响设备、通信设备等领域。
•压电超声波传感器：利用压电材料的压电效应，能够将电信号转化为超声波信号，用于测量物体的距离、探测障碍物、医学成像等领域。
3.能量转换与储存领域•压电发电机：利用压电效应，将机械能转化为电能，实现能量的转换和储存，被应用于可再生能源领域，如风能、水能等的利用。
4.振动控制领域•压电陶瓷振动器：利用压电材料的压电效应，可以通过输入电信号来控制材料的振动频率和振动幅度，被广泛应用于振动传感器、振动控制系统等领域。
4. 压电效应的优缺点•优点：1.压电效应响应速度快，可实现高频、高精度的测量；2.压电材料具有较高的静态灵敏度和稳定性，适用于各种环境；3.压电材料体积小，重量轻，可以方便地融入各种设备和系统中。
压电原理及材料..
超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V 特点：可组成经济的多点测试系统
2018/8/13 39
其他电荷放大器外形
面板式电荷放大器
2018/8/13 40
其他电荷放大器外形（续）
2018/8/13
41
多通道电荷放大器外形
压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚
氯乙烯（PVC）等。
高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据
需要制成薄膜或电缆套管等形状。
不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制 成较大面积或较长的尺度； 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。
2018/8/13 15
qx =d11Fx
由上述公式我们看到： 电荷qx的符号表示受压力还是受拉力
切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即 qx与Fx成正比 晶片电荷极性与受力关系
极间电压
2018/8/13
qx d11 Fx Ux Cx Cx
16
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍 在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 qy=d12(L/a)Fy 式中， d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性,有d12=-d11； qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度
压电发电原理
压电发电原理压电发电原理一、概述压电发电是一种利用压电效应将机械能转化为电能的技术。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用下，会产生极性的电荷分布，从而产生电场和电势差。
利用这种效应可以将机械能转化为电能，实现发电。
二、压电材料1. 压电晶体常见的压电晶体有石英、铅锆酸钛等。
这些晶体具有高度对称性结构，在受到外力作用下会产生极性的变形和极性分布，从而产生电势差。
2. 压电陶瓷压电陶瓷是一种以氧化物为主要成分的陶瓷材料，具有良好的压电性能。
常见的压电陶瓷有PZT（铅锆酸钛）、BaTiO3（钛酸钡）等。
3. 压敏材料压敏材料是一种特殊的材料，其在受到外力作用下会改变其阻值。
常见的压敏材料有硅、锌氧化物等。
三、工作原理1. 压电晶体发电原理当压电晶体受到外力作用时，其晶格结构会产生变形，从而导致极性分布的改变。
这种极性分布的改变会导致电荷的重新排列，从而产生电势差。
如果将两端连接上导体，则可以将这种电势差转化为电流，实现发电。
2. 压敏材料发电原理当压敏材料受到外力作用时，其阻值会发生变化。
如果将其连接到一个外部电路中，则可以利用这种阻值的变化来产生电流，实现发电。
四、应用领域1. 环保领域压电发电技术可以应用于环保领域，在垃圾场等地方通过垃圾的重量来产生能源。
2. 军事领域压电发电技术可以应用于军事领域，在一些需要长时间待机的设备中使用压敏材料来产生能源。
3. 生活领域压电发电技术可以应用于生活领域，在鞋底、地毯等物品上使用压敏材料来产生能源。
五、总结压电发电技术是一种利用压电效应将机械能转化为电能的技术。
常见的压电材料有压电晶体、压电陶瓷和压敏材料。
在应用领域上，压电发电技术可以应用于环保领域、军事领域和生活领域等。
4.5 压电性(材料物理性能)
B.石英单晶片的压电效应
从晶体上沿 y 方向切下一块如图（c）所示晶 片, 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其大小为： qx = d11 fx d11—x方向受力的压电系数; fx—作用力。
在同一切片上, 沿机械轴y 方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为： qy=d12 fy d12——y 轴 方 向 受 力 的 压 电 系 数 , d12=-d11; a、 b——晶体切片长度和厚度。
13
（b）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时
晶体沿 x 方向将产生压缩变形 , 正负离子的
相对位置也随之变动。如图（ b ）所示 , 此
时正负电荷重心不再重合 , 电偶极矩在 x 方 向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而 不等于零, 即（P1+P2+P3）x> 0 。 在x轴的 正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分 量仍为零, 不出现电荷。
10
电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。 在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂 直的平面上将产生电荷, 其符号如图（a） 和（b）所示。拉应力时为正，压应力时 为负。
在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用 力fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电 荷qy, 其符号如图（c）和（d）所示。 拉应力时为正，压应力时为负。
11
C.石英单晶的压电机理
压电晶体的压电效应的产生是由于晶格结构在机械力的作用下发生变形 所引起的。 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。
石英晶体的化学分子式为SiO2，在一个晶体结
构单元 ( 晶胞 ) 中，有三个硅离子 Si4+ 和六个氧 离子O2 ，后者是成对的，所以一个硅离子和 二个氧离子交替排列。为了讨论方便，我们 将石英晶体的内部结构等效为硅、氧离子的 正六边形排列，如图（ a ）所示，图中“ ” 代表Si4+、“⊙”表示O2。形成三个互成120º
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。
压电陶瓷的压电原理及制作工艺
压电陶瓷在声学领域的应用
压电陶瓷在声学领域被广泛应用于扬声器、麦克风、超声波装置等设备中。 它能够将电能转换为机械能，实现声音的产生、放大和检测。
压电陶瓷在电子领域的应用
压电陶瓷在电子领域的应用十分广泛，包括电子变压器、压电驱动器、压电存储器等。它的快速响应和稳定性 使得它成为了许多电子设备中不可或缺的组件。
压电陶瓷的压电原理及制 作工艺
压电陶瓷是一种能够将机械能转化为电能以及将电能转化为机械能的材料。 本节将介绍压电现象及原理，压电材料的特点和分类，以及压电陶瓷的制作 工艺。
压电现象及原理
压电现象是指某些材料在受到外力作用时会产生电荷分布的变化。这种变化可以通过压电效应转化为电能。压 电陶瓷是最常用的压电材料之一。
压电材料的特点和分类
压电材料具有独特的特点，包括高压电系数、低机械耗散等。根据压电效应的不同表现形式，压电材料可以分 为压电应变型、压电应力型和压电体积型。
压电陶瓷的制作工艺
压电陶瓷的制作工艺包括原料的选择、配比、制备成型、烧结等步骤。其中，烧结是关键的工艺环节，它决定 了压电陶瓷的致密度和性能。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压电陶瓷的性能和应用
压电陶瓷具有高灵敏度、稳定性好等特点，广泛应用于传感器、声学器件、电子设备等领域。它在超声波传感、 谐振器、压力传感器等方面发挥着重要作用。
压电陶瓷在传感器领域的应用
压电陶瓷作为传感器的重要组成部分，可用于测量、检测和控制等应用。它 在气体、液体、固体等各种介质的测量中具有优异的性能。
压电材料及工作原理
压电材料及工作原理
压电材料是一类具有压电效应的材料，通过施加压力或力的变化产生电荷极化效应。
其工作原理基于压电效应的物理现象。
压电效应是指在某些晶体结构中，当施加力或压力时，晶格极化向一定方向发生改变，并产生电荷极化。
这种电荷极化可以通过接触电极收集，并形成输出电信号。
压电材料通常具有非中心对称结构，晶格结构中存在不对称性，使其具有压电效应。
典型的压电材料包括石英、铅锆钛酸钡（PZT）、氯化亚铜（CuCl）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。
在压电材料中，当施加压力时，晶格结构发生略微的形变，使正负电荷移动，产生电场。
相反地，当施加电场时，晶格结构会发生形变，产生机械位移。
这种双向转换的特性使得压电材料可以用作传感器和执行器，广泛应用于声音传感、振动控制、压力测量、声波发生和滤波等领域。
总的来说，压电材料的工作原理是基于施加压力或电场引起晶格结构变化，从而产生电荷极化效应，并将其转换为具有特定功能的电信号或机械位移。
压电发电原理材料与应用
压电陶瓷点火器
走路发电
13
压电应用
压 电 写 真 机
14
谢 谢！
15
8
压电应用
压电驱动器 利用逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动
基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包 括显示器件控制、微位移产生系统等 目前只是创造性设想，还需要进行大量研究
9
压电应用---传感器
压电式压力传感器 压电式加速度传感器
10
Hale Waihona Puke 压电应用---传感器超声波传感器
超声发射器 超声接受器 定时电路 控制电路
压电材料及其应用
压电发电原理 压电材料 压电应用
1
压电发电原理
1880年，法国物理学家发现，把重物放在石英晶体上， 晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例
压电效应
对压电材料施加压力，它便会产生电位差。
2
压电发电原理
逆压电效应：
压电材料收到电信信号作用，在电场中发生极化时， 会因电荷中心的位移导致材料变形 。
机器人接近觉
11
压电材料---氧化锌纳米线
超相比于其他压电陶瓷材料，氧化锌比较容易制备，不一 定要坐非常复杂的高温处理。
使用氧化锌纳米线把 100分贝以上的声音转化为电能，这足够驱动小 型电子装置 。 谈话时给手机充电，或高速公路旁的隔音墙发电照明。
12
压电应用---传感器
压电式压力传感器 压电式加速度传感器
压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、 电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用
5
压电材料
2.有机压电材料（压电聚合物）
偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其以为代表的其他有机 压电（薄膜）材料
压电效应的具体应用及原理
压电效应的具体应用及原理什么是压电效应？压电效应是指某些材料在受到机械压力或形变时，会产生电荷分离和电位变化的现象。
这种材料被称为压电材料，包括石英、陶瓷、硼酸铋铷等。
压电效应的原理压电效应的原理是基于压电材料的晶格结构和电荷分布。
当压电材料受到外力压缩或伸长时，会导致晶体结构的畸变，进而引起晶格中正负电荷的重新分布。
这种电荷分离产生的电场会影响周围的电子和离子，在材料表面形成电压差。
同样地，当外加电场作用于压电材料时，也会导致晶格畸变，从而引发机械振动。
压电效应的具体应用压电效应具有广泛的应用领域，下面列举了一些常见的应用。
1. 压电传感器和加速度计压电材料的压电效应可以将机械压力转换为电信号，因此被广泛应用于传感器和加速度计中。
例如，压电传感器可以用于测量气体或液体的压力变化，将其转换为电信号输出。
加速度计则可以通过测量压电材料的振动频率变化来检测加速度。
这些应用可以在工业、汽车、医疗等领域中发挥重要作用。
2. 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器是一种将电能转换为机械振动或声音的装置。
它利用压电效应，在电场作用下使压电陶瓷产生机械位移或振动，从而产生声波。
这种装置广泛应用于声学传感器、超声波发生器、声纳等领域。
3. 压电驱动器压电材料的压电效应可以用于制造压电驱动器，将电能转换为机械运动。
压电驱动器常用于精密仪器、工业机械和精确定位系统中。
通过控制电场的变化，可以实现微小的运动和精确的位置控制。
4. 压电存储器压电材料还可以用于制造压电存储器，将电荷存储下来。
这种存储器可以在断电情况下保持数据，因此被广泛应用于电子设备和计算机系统中。
5. 压电微型发电机利用压电效应，可以制造微型发电机，将机械振动转换为电能。
这种微型发电机可以应用于可穿戴设备、无线传感器网络等需要独立供电的场合。
总结压电效应是压电材料所特有的现象，其具体应用涵盖了各个领域。
压电传感器、压电陶瓷换能器、压电驱动器、压电存储器和压电微型发电机等应用，都利用了压电材料的特性。
压电原理及材料技术介绍
主要压电材料的性能比较
材料 石英 钛酸锆 PZT陶瓷 压电聚合物
压电系数 2.3 15 200-900 8-60
介电常数 4.5 28 1000-4000 2-10
机械弹性模量 71 200 50-90 1-3
结论和展望
压电效应及其在材料技术中的应用领域具有广泛的研究和开发前景。随着技 术的进步，我们可以预见未来更多创新的压电材料和器件将被开发出来。
4 精密定位
利用压电材料的压电效应，可以将机械振 动转化为电能，实现自供能设备。
压电执行器可以通过响应电压的控制实现 微调和精密定位，广泛应用于机械设备和 仪器仪表。
压电传感器
1
传感器类型选择
根据应用需求选择合适的压电传感器类型，如压力传感器、加速度传感器或位移 传感器。
2
信号采集与处理
通过适当的电路设计和信号处理算法，提取和处理压电传感器的输出信号。
压电聚合物
与传统陶瓷不同，这些材料是柔性的，适用 于柔性传感器和能量收集器等应用。
压电效应的应用领域
1 传感器技术
2 声学器件
压电材料的压电特性使其成为传感器领域 的理想选择，如压力传感器、加速度传感 器和清晰度传感器。
压电陶瓷和压电聚合物被广泛用于扬声器、 麦克风和声纳等声学器件中。
3 机械振动能量收集
3
性能检测和校准
对压电传感器进行性能检测和校准，确保其准确度和稳定性。
压电执行器
1
应用需求分析
根据所需的执行任务和控制要求，选择合适的压电执行器类型。
2
电压控制与驱动
通过施加不同的电压来控制压电执行器的位移和力输出。
3
性能优化和可靠性测试
优化压电执行器的性能，并进行可靠性测试以确保其稳定性和可靠性。
压电发电原理材料与应用
压电陶瓷点火器 走路发电
13
压电应用
压 电 写 真 机
14
谢 谢！
15
压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、 压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、 电损耗较大、稳定性差， 电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用
5
压电材料
2.有机压电材料（压电聚合物） 有机压电材料（压电聚合物） 有机压电材料
偏聚氟乙烯（ ）（薄膜 偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其以为代表的其他有机 ）（薄膜） 压电（薄膜） 压电（薄膜）材料
压电材料及其应用
压电发电原理 压电材料 压电应用
1
压电发电原理
1880年，法国物理学家发现，把重物放在石英晶体上， 年 法国物理学家发现，把重物放在石英晶体上， 晶体某些表面会产生电荷， 晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例
压电效应
对压电材料施加压力，它便会产生电位差。 对压电材料施加压力，它便会产生电位差。
水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、 水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等 ）、镓酸锂
介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高， 介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高， 多用来作标准频率控制的振子，高选择性的滤波器以及高频、 多用来作标准频率控制的振子，高选择性的滤波器以及高频、高温超声换能器等
材质柔韧，低密度， 材质柔韧，低密度，低阻抗等优点为世人瞩目 发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感， 发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用 不足之处是压电应变常数偏低， 不足之处是压电应变常数偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制
压电材料的基本原理和应用
压电材料的基本原理和应用压电材料是一种可以将机械能转换为电能或在反向情况下将电能转换为机械能的材料。
这种材料是由于其具有特殊的结构和晶格构造而能够表现出压电效应。
在各种应用领域中，如声音的生成、传感器、电动机等，压电材料是不可或缺的。
本文将探讨压电材料的基本原理和应用。
一、压电材料的基本原理压电效应是指某些特定材料在承受外力变形时产生电荷（电势差）的现象。
这种材料具有非对称的晶格结构，当外力施加到材料上时，会使材料的形状发生微小变化，导致电荷分布的不平衡，形成电荷。
反向情况下，当电场施加到压电材料上时，也会导致微小的变形，称为反压电效应。
压电材料的本质原理是“反向压电效应”，即由于压电材料具有对称的晶格结构，当外力施加到材料上时，会导致电荷的分布重新排列，从而使材料发生形变。
反向情况下，当有电场施加到材料上时，它也会发生小的形变，并改变其几何尺寸。
这种效应一般是由晶格内的离子发生位移而引起的。
压电效应的宏观表现取决于压电材料的几何形状、晶体结构和晶体初生极性，因此不同材料的压电效应强度不同。
二、压电材料的应用压电材料具有许多重要应用，从传感器到电子设备的驱动器，包括声学和电子领域。
1. 传感器压电材料可以用于制造各种传感器，如温度传感器、压力传感器、称重传感器等。
压电传感器是一种能够将机械能转换为电能或反向转换的装置，它们可以测量和监测各种参数，如力、压力、形变和振动等。
2. 电子设备的驱动器压电材料可以被用作微型电子元件的构造材料。
例如，它们可以用于制造振动器、滤波器、电子变压器和电子隔离器等。
3. 声学器件压电材料是制造声学器件的重要材料，在这种情况下，压电材料的特性用于制造传感器和扬声器等设备。
此外，压电效应还可以用于制造声波滤波器、收音机和仿声器等。
4. 电动机由于压电材料可以将机械能转换为电能或反向转换，因此它们可以被用来制造各种类型的电动机，包括直线和旋转式的电动机。
5. 医疗设备由于压电材料的机械和电学性能，这种材料也可以被用来制造医疗设备，如超声波成像设备、血压计等。
压电原理
压电原理1.压电材料a.材质：晶体或多晶体b.机理：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。
反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
极化（polarization），指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。
应用：单晶体：石英------晶振，电子表。
电子表原理就是石英在电池的影响下，石英石英晶体每秒的振动次数高达32768次，我们可以设计简易的电路来计算它振动的次数，当它数到32768次时，电路会传出讯息，让秒针往前走一秒。
2.正压电效应当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。
这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。
正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。
3.逆压电效应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。
4.压电陶瓷的材质压电陶瓷属于钙钛矿结构(CaTiO3),其共同特点是：分子式可以写成ABO3形式，A是二价正离子(Pb2+,Ba2+ ),B是四价正离子(Ti4+,Zr4+ ), 相应的离子在晶胞中的位置也相同A位于六面体的八个顶点上，B位于六面体中心，O2-位于六个面的面心例如：一元系压电陶瓷－－BaTiO3, PbTiO3压电陶瓷二元系压电陶瓷－－Pb(Zr,Ti)O3压电陶瓷-PbTiO3和PbZrO3的混合物。
三元系压电陶瓷－－PZT-Pb(B1B2)O35.压电陶瓷的压电原理a.结构：压电陶瓷是多晶体，每个晶粒都是由一个个晶胞组成的。
b.自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关t＞Tc(居里温度)，立方晶胞t＜Tc，c边增大，a,b边缩小，四角晶胞(菱方晶胞)由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称：自发形变。
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其他电荷放大器外形
面板式电荷放大器
其他电荷放大器外形（续）
多通道电荷放大器外形
谢谢观赏
uo
q Cf
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换 为电压（q/U转换器），但并无放大电荷的作 用，只是一种习惯叫法。
四通道电荷放大器外形
.
上图所示的四通道电荷放大器指标
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
（上海硅酸盐研究所研制）
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。 ➢ 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据 需要制成薄膜或电缆套管等形状。 ➢ 不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制 成较大面积或较长的尺度； ➢ 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片双面镀银并封装英晶体振荡器（晶振）晶振
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率。
石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边 形排列。
定性分析：
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩，且三个电偶极矩的矢量和为0。
晶 体 受 到 x 方 向 的 压 力 Fx 作 用，晶片将产生厚度变形，并
发生极化现象；
在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx 与作用力Fx成正比，即
第二节 压电传感器的测量转换电路
等效电路： 压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器； 压电器件从性质上讲，是一个有源电容器。
根据压电片的串并联，其等效电路为电压源和电荷源
电压源
电荷源
在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取 多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前 置放大器。
焊接式 电荷放大器
超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V 特点：可组成经济的多点测试系统
压电式传感器主要用途：压电传感元件是力 敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物 理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等， 但不能用于静态参数（例如重量）的测量。
压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传 感器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。
qx与Fx成正比 晶片电荷极性与受力关系
极间电压
Ux
qx Cx
d11Fx Cx
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍 在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
qy=d12(L/a)Fy 式中，
d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性,有d12=-d11；
qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度
实际电荷源
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 压电效应产生的电荷量很小，达到pA级电流。因 此在接成电荷输出型测量电路时，也要求前置放大 器不仅有足够的放大倍数，而且还需要有极高的输 入阻抗。
电（
荷电
源荷
测 量 电
放 大 器 ）
路
压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈 电容有关，电缆长度等因素的影响很小：
小 知识
自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦 煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙 丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这 个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振 动压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成 电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发 出声音。
与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出 脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振 动而发声的。
qy=d12(L/a)Fy
由上述公式我们看到： 沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与 晶体切片的尺寸有关；
沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所 产生的电荷极性是相反的。
当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿 x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z 轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压 电效应，即d13=0
式中，
qx =d11Fx
d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
qx =d11Fx
由上述公式我们看到：
电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即
压电效应最贴近生活的应用：
燃气灶与打火机
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀 具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时， 晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的
力F成正比 ，这种现象称为：“压电效应” 。
还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会 产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随 之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。
压电原理及材料..
小实验
在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用 榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间， 发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产 生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效 应。
第一节 压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的 目的。
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风 生细响语喁喁”。
石英晶体 的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当动 态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而 很快泄漏、消失。
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般 有三类： 一类是压电晶体（如上述的石 英晶体）； 另一类是经过极化处理的压 电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有 电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的 频率下限。
（4）机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入 能量之比的平方根，是衡量压电材料机械能 — 电能转换效 率的一个重要参数。
（5）电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改 善压电传感器的低频特性。
（6）居里点温度：是指压电材料丧失压电特性的温度。
表5-2
压电晶片的连接方式
以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内 阻而输出信号又很弱的有源传感器。
在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精 度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元 件，并接入高输入阻抗的前置放大器。
压电晶片的连接方式 多片压电材料的连接方式有串联和并联两种。
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电陶瓷的极化过程
压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
压电式脚踏报警器
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
压电材料的特性：
（1）压电系数：是衡量材料压电效应强弱的参数，与压电 输出灵敏度有关。
（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元 件的固有频率和动态特性。