中科院聲學(xué)所ZJ-3型D33測(cè)量儀報(bào)告壓電效應(yīng)

壓電材料(piezoelectric material)，受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。 1880年,法國物理學(xué)家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn),把重物放在石英晶體上,晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷,電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。

1、壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向施加壓力或拉力時(shí)，會(huì)發(fā)生形變，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)，其外表面上產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)外力拆掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力方向反向時(shí)，電荷極性也相反；電荷量與外力大小成正比。這種現(xiàn)象叫正壓電效應(yīng)。如圖1所示。

圖1 （正）壓電效應(yīng)

反之，當(dāng)對(duì)某些物質(zhì)在極化方向上施加一定電場(chǎng)時(shí)，材料將產(chǎn)生機(jī)械形變，當(dāng)外電場(chǎng)撤銷時(shí)，形變也消失，這叫逆壓電效應(yīng)，也叫電致伸縮。壓電效應(yīng)的可逆性如圖62所示。利用這一特性可實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換。

圖2 壓電效應(yīng)的可逆性

壓電式傳感器大都采用壓電材料的正壓電效應(yīng)制成。大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，而多數(shù)晶體的壓電效應(yīng)都十分微弱。2、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處理后的人工多晶鐵電體。多晶是指它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成，所謂鐵電體是指它具有類似鐵磁材料磁疇的電疇結(jié)構(gòu)，每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，這種自發(fā)極化的電疇在極化處理之前，個(gè)晶粒內(nèi)的電疇按任意方向排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷的極化強(qiáng)度為零，因此，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。為使其具有壓電性，就必須在一定溫度下做極化處理。

圖3 陶瓷極化過程示意圖 圖4 束縛電荷與自由電荷排列示意圖

所謂極化處理，是指在一定溫度下，以強(qiáng)直流電場(chǎng)迫使電疇自發(fā)極化的方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)方向一致，作規(guī)則排列，此時(shí)壓電陶瓷具有一定的極化強(qiáng)度，再使溫度冷卻，撤去電場(chǎng)，電疇方向基本保持不變，余下很強(qiáng)的剩余極化電場(chǎng)，從而呈現(xiàn)壓電性，即陶瓷片的兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，另一端為負(fù)。如圖3所示。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的極化兩端很快吸附一層來自外界的自由電荷，這時(shí)束縛電荷與自由電荷數(shù)值相等，極性相反，故此陶瓷片對(duì)外不呈現(xiàn)極性。如圖4所示。

如果在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，因此吸附在其表面的自由電荷，有一部分被釋放而呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)撤銷壓力時(shí)，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效?yīng)。放電電荷的多少與外力成正比例關(guān)系

（1）

其中是壓電陶瓷的壓電系數(shù)，為作用力。

壓電陶瓷在極化方向上的壓電效應(yīng)明顯。我們把極化方向叫軸，垂直于軸平面上的任何直線都可作為軸（或軸）。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，但剩余極化強(qiáng)度和特性受溫度影響較大。早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但使用溫度較低，高只有70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。

目前使用較多的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛（PZT系列），它是鈦酸鋇（）和鋯酸鉛（）組成的。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛（）、鋯酸鉛和鈦酸鉛按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷，它具有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。

3、壓電參數(shù)的測(cè)量方法

壓電陶瓷材料的壓電參數(shù)的測(cè)量方法甚多，有電測(cè)法，聲測(cè)法，力測(cè)法和光測(cè)法等，這些方法中以電測(cè)法的應(yīng)用為普遍。在利用電測(cè)法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于壓力體對(duì)力學(xué)狀態(tài)極為敏感，因此，按照被測(cè)樣品所處的力學(xué)狀態(tài)，又可劃分為動(dòng)態(tài)法，靜態(tài)法和準(zhǔn)靜態(tài)法等。

（1）靜態(tài)法

靜態(tài)法是被測(cè)樣品處于不發(fā)生交變形變的測(cè)試方法，主要用于測(cè)試壓電常數(shù)，測(cè)試樣品上加一定大小和方向的力，根據(jù)壓電效應(yīng)，樣品將因形變而產(chǎn)生一定的電荷。

D₃₃=d₃₃T₃

若施加力為F3，則在電極上產(chǎn)生的總電荷為

Q₃=d₃₃F₃ (1-39)

靜態(tài)法的測(cè)量裝置如圖5所示，線路中的電容C的作用是為了使樣品所產(chǎn)生的電荷都能釋放到電容上。因此，要求電容C越大越好，一般選擇的為樣品電容的幾十到一百倍的低損耗電容。

圖5 靜態(tài)法測(cè)量壓電常數(shù)裝置圖

測(cè)量時(shí)，為了避免施加力F3時(shí)會(huì)有附加沖擊力而引起測(cè)量誤差，一般加壓時(shí)會(huì)合上電鍵K1，使樣品短路而清除加壓所產(chǎn)生的電荷。去壓時(shí)先打開電鍵K1，使樣品上所產(chǎn)生的電荷全部釋放到電容上，用靜電計(jì)測(cè)其電壓V3（伏），用下式求出：

Q3=(Co+C1)V3 (1-40)

式中，C3為樣品的靜電容（法）；C為外加并聯(lián)電容（法），V3為電壓（伏）。

（2）動(dòng)態(tài)法

壓電陶瓷材料的大部分參數(shù)都可以通過測(cè)量頻率Fs和fa來確定。生產(chǎn)上都采用動(dòng)態(tài)法中的傳輸法。圖6給了一種簡單的測(cè)量線路。

圖6 簡易動(dòng)態(tài)法測(cè)量

這種測(cè)量線路過于簡單，有一些缺點(diǎn)，為了克服簡單測(cè)量線路的缺點(diǎn)，通常采用圖7所示的常用測(cè)量線路。在振子兩端有連接的電阻Ri，RT和RTo。一般選擇Ri≥10RT′，RT= RT′及RT小于振子的等效電阻R1。這一測(cè)量電路中每個(gè)電阻的作用及阻值選擇理由如下。

選擇RT′≤R1/10，既RT′較下，而振子又與RT′并聯(lián)，這樣，振子的阻抗Z雖然隨頻率變化很大，但Z與RT′并聯(lián)后的和阻抗隨頻率的變化卻很小，因此，可以認(rèn)為輸入電壓幾乎保持不變?？梢赃x擇（Ri+ RT′）等于信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗和頻率計(jì)的輸入阻抗與（Ri+ RT′）相并聯(lián)，而RT′又與振子并聯(lián)，當(dāng)RT′小時(shí)，它能隔離信號(hào)發(fā)生器輸出電抗和頻率計(jì)輸入電抗對(duì)振子的影響，因此，可以提高測(cè)量fm和fn的精度。

對(duì)RT值選擇是一個(gè)重要的問題。因?yàn)镽T與振子相串聯(lián)，特別是振子諧振時(shí)，RT就是串聯(lián)諧振電路中電阻的一部分。RT大時(shí)，會(huì)影響諧振曲線的尖銳度，使諧振指示不準(zhǔn)確，造成測(cè)量誤差，所以要求RT越小越好。另一方面，振子阻抗隨頻率的變化是通過RT上的電壓變化反映到毫伏表中，為了使毫伏表能靈敏地反映這個(gè)變化，就希望大一點(diǎn)好。兼顧這兩方面的要求，一般選擇RT小于振子的等效電阻R1，對(duì)于PZT系壓電陶瓷來說，RT的數(shù)值約為幾十歐。由于形狀大小不同的壓電陶瓷振子的小阻抗也不相同，所以測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)RT值作必要的調(diào)整。其次，在反諧振頻率時(shí)，振子的阻抗達(dá)到大值，為了提高測(cè)量反諧振頻率的度，應(yīng)適當(dāng)選擇較大的RT值。與RT′相似，RT′也能起到隔離毫伏計(jì)的輸入電抗對(duì)振子的影響，所以也能提高測(cè)量fm和fn的度。

為了避免線路中雜散電容和外界感應(yīng)所帶來的測(cè)量誤差，對(duì)測(cè)量線路做必要的屏蔽。一般是將線路房于金屬盒內(nèi)。夾持振子支架也影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)夾持振子的支架除要求能穩(wěn)固地支持住振子，保證夾子與振子有良好的電接觸外，還要使振子處于能自由振動(dòng)狀態(tài)。所以夾子與振子的接觸面要盡可能的小，并且夾在中心位置或振動(dòng)節(jié)上，同時(shí)，希望支架具有盡量小的分布電容。

因?yàn)閴弘娞沾墒氰F電體，只有輸入信號(hào)電壓較小時(shí)，才能得到比較正確的測(cè)量結(jié)果。如果輸入信號(hào)電壓較大，就會(huì)引起非線形效應(yīng)。造成測(cè)量誤差，因此，一般都在輸入信號(hào)電壓為1伏的情況下進(jìn)行測(cè)量。

（3）等效電阻R1的測(cè)量方法

測(cè)量R1的常用方法 當(dāng)信號(hào)頻率等于振子的諧振頻率時(shí)，等效電路中的L1C1串聯(lián)分路阻抗等于電子Ro。因此，還可以在測(cè)量線路中通過開關(guān)K1，用一個(gè)可變電阻箱來代替振子，并調(diào)節(jié)可變電阻箱，使毫伏表上的讀數(shù)與振子諧振時(shí)的讀書相同，這時(shí)電阻箱中的電阻即等于振子的等效電阻R1。

測(cè)量R1的方法 諧振時(shí)，等效電路中的總電流等于Co分路電流和R1分路電流之和。如果Co分路的阻抗大于R1，則通過Co分路的電流就很小，因此，上述測(cè)量R1的方法的誤差很小。如果Co分路的阻抗小于R1，則應(yīng)采用下述方法清楚Co分路所造成的誤差。

并聯(lián)電容法-------既然振子的分路電容Co與R1并聯(lián)，那么可事先用電容點(diǎn)橋測(cè)出振子的分路電容Co，然后用一電容等于Co的電容器與電阻箱并聯(lián)，如圖7中虛線所示。通過開關(guān)K1，再調(diào)節(jié)電阻即等于振子的等效電阻R1。

并聯(lián)電感法-------用一可變電感Lo與振子并聯(lián)，如圖7中虛線所示，調(diào)節(jié)電感Lo使之滿足（2πfsLo-1/2πfsCo）=0。這時(shí)，通過Co分路的電流恰好與通過電感Lo的電流互相抵消。此時(shí)，毫伏表上的讀數(shù)只反映通過等效電阻R1的電流的大小。然后按常用方法測(cè)量R1值。