DOC《第8章》

但温度达到573℃时,石英则完全丧失了压电性质,这是它的居里点.石英的熔点为1 750℃,密度为2.65*103kg/m3,有很高的机械强度和稳定的机械性质,因而广泛地被应用.石英晶体元件主要用于测量大量值的力和加速度,或作为标准传感器使用.但它的压电系数相当低,因此它已逐渐被其他压电材料所代替. 除了石英晶体外,常用的压电晶体还有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6・4H2O),铌酸锂(LiNbO2)等. 8.1.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷也是一种常见的压电材料,它是人工制造的多晶体压电材料.压电陶瓷内部具有无规则排列的电畴,电畴结构类似于铁磁性材料的磁畴结构.压电陶瓷在没有极化之前不具有压电性,是非压电体,为使其具有压电性,就必须在一定温度下做极化处理.所谓极化,就是以强电场使电畴规则排列,从而呈现出压电性.在100~170℃温度下,在外电场(1~4kV/mm)的作用下,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场的方向排列,从而使材料得到极化.在极化电场去除后,电畴基本保持不变,余下了很强的剩余极化,如图8.4所示.当极化后的压电陶瓷受到外力作用时,其剩余极化强度将随之发生变化,从而使一定表面分别产生正负电荷,于是压电陶瓷就有了压电效应.压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显,把极化方向定义为z轴,垂直于z轴的平面上的任何直线都可作为x或y轴.压电陶瓷在经过极化处理之后则具有非常高的压电系数,为石英晶体的几百倍;

但压电陶瓷的参数会随时间发生变化,即老化,压电陶瓷老化将使压电效应减弱. 图8.4 压电陶瓷的极化过程和压电原理图 8.1.4 压电陶瓷 1.钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡(BaTiO3)是由碳酸钡(BaCO3)和氧化钛(TiO2)在高温下合成的,具有较高的压电系数(107*10-12C/N)和介电常数(1 000~5 000),但它的居里点较低(约为120℃).另外,它的机械强度不及石英,但它的压电系数高,因而在传感器中得到广泛使用. 2.锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅是由钛酸铅(PbTiO2)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体Pb(ZrTiO3).在锆钛酸铅的基础上,添加一种或两种微量的其他元素,如镧(La)、铌(Nb)、锑(Sb)、锡(Sn)、锰(Mn)、钨(W)等,可获得不同性能的PZT系列压电材料.PZT系列压电材料均具有较高的压电系数(d33=(200~500)*10-12C/N)和居里点(300℃以上),各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化较小,是目前常用的压电材料. 3.铌酸盐系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅(PbNbO2)为基础制成.铌酸铅具有较高的居里点(570℃)、较低的介电常数.在铌酸铅中用钡或锶代替一部分铅,可以引起性能的根本变化,从而得到具有较高机械品质因素的铌酸盐压电陶瓷.铌酸钾是通过热压过程制成的,它的居里点也较高(480℃).近年来,由于铌酸盐系压电陶瓷性能比较稳定,在水声传感器方面得到广泛应用,如用作深海水听器. 除了以上几种压电材料,近年来,又出现了铌镁酸铅压电陶瓷(PMN),具有极高的压电常数,居里点为260℃,可承受700kg/cm2的压力. 8.2 压电材料 前文讲过了压电晶体和压电陶瓷两大类,前者是单晶体,后者是多晶体.选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键,一般应考虑以下几方面. (1)转换性能:具有较高的耦合系数或较大的压电系数.压电系数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度. (2)机械性能:作为受力元件,压电元件应具有较高的机械强度、较大的机械刚度. (3)电性能:具有较高的电阻率和大的介电常数. (4)温度和湿度稳定性:具有较高的居里点. (5)时间稳定性:压电特性不随时间蜕变. 8.3 压电式传感器测量电路 8.3.1 压电器件的串联与并联 在压电式传感器中,常将两片或多片压电器件组合在一起使用.由于压电材料是有极性的,因此接法也有两种,如图8.5所示.图8.5(a)所示为串联接法,其输出电容C′为单片电容C的1/n,即C′=C/n,输出电荷量Q′与单片电荷量Q相等,即Q′=Q,输出电压U′为单片电压U的n倍,即U′=nU;