壓電材料壓電性的參數及測量方法

㈠ 壓電式感測器壓電材料的主要特性參數

壓電式感測器的核心組件之一是壓電材料，其特性參數對感測器的性能至關重要。首先，壓電常數，這個參數直接反映了材料的壓電效應強度，它決定了感測器在機械應力作用下輸出電壓信號的靈敏度。

其次，材料的彈性常數和剛度影響著壓電元件的固有頻率和動態特性。固有頻率高，意味著感測器響應速度快，而動態特性良好則能有效抑制雜訊干擾。壓電元件的固有電容，與介電常數緊密相關，它決定了感測器工作時的頻率下限，電容越大，可能的頻率范圍越寬。

壓電效應中的機械耦合系數，即輸出能量與輸入能量之比的平方根，是衡量材料機電能量轉換效率的關鍵指標。這個參數越大，表示能量轉換的效率越高，壓電感測器的性能也就越優秀。

壓電材料的絕緣電阻是另一個重要特性，它有助於減少電荷泄漏，從而優化壓電感測器在低頻環境下的性能。高的絕緣電阻意味著信號傳輸更穩定，抗干擾能力更強。

最後，壓電材料有一個重要的物理特性，即居里點溫度，當溫度超過這個臨界值，材料的壓電效應會顯著減弱甚至消失。因此，選擇適合工作溫度范圍的壓電材料對感測器的長期穩定運行至關重要。

基於壓電效應的感測器。是一種自發電式和機電轉換式感測器。它的敏感元件由壓電材料製成。壓電材料受力後表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗後就成為正比於所受外力的電量輸出。壓電式感測器用於測量力和能變換為力的非電物理量。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要採用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。

㈡ 壓電方程及壓電效應

對於壓電材料的性能，我們有以下四個方面的考慮：

1、壓電材料是彈性體，它在力學效應上服從胡克定律，即應力τ和應變e之間服從彈性關系：τ=ce 或 e=sτ式中c為彈性模量，表示物體產生單位應變所需的力；s為彈性順從系數，表示材料的應力與應變之間的關系。

2、壓電材料是鐵電體，電學參數-電場強度E和電位移強度D之間服從介電關系式：E=βD 或 D=εE，式中ε為電容率，反映材料的介電性質，與壓電體附上電極所構成的電容有關。β為介電誘導系數。

3、壓電材料在磁學效應中有：B=μH，式中B為磁感應強度，H為磁場強度，μ為磁導率。

4、壓電材料在熱學效應中有：Q=φσ/ρc，式中Q為熱量；φ為溫度；σ為熵；ρ為介質密度；c為材料比熱。

在壓電效應中，力學量與電學量存在相互作用。把兩個力學量--應力τ和應變e與兩個電學量--電場強度E和電位移強度D聯系在一起，描述它們之間相互作用的表達式就是所謂的壓電方程。

對於壓電體，我們通常只考慮力學效應和電學效應，以及它們之間的相互作用。在電輸出短路和電開路狀態下，我們分別得到d型和g型壓電方程。在電開路狀態且壓電體自由形變時，我們得到i型壓電方程；在電開路狀態且壓電體被夾緊時，我們得到h型壓電方程。

四組壓電方程為：d型壓電方程、g型壓電方程、i型壓電方程和h型壓電方程。它們分別描述了壓電材料在不同條件下力學量與電學量的關系。

通過解壓電方程，我們得到參數間的關系。例如，d表示應力不變時由電場引起的相對應變，g表示電位移強度不變時由應力引起的電場強度變化。

d和i參數代表逆壓電效應，它們反映了壓電材料發射超聲波的能力。g和h參數代表正壓電效應，它們反映了壓電材料接收超聲波的能力。

這四個參數間有換算關系，例如d=ετg=ieE；g=βτd=heD；i=εeh=dcE；h=βei=gcD。

㈢ 壓電材料的主要特性參數有哪些

壓電材料的主要特性參數有：（1）壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關繫到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數：壓電材料的彈性常數、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。（3）介電常數：對於一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電感測器的頻率下限。（4） 機械耦合系數：在壓電效應中，其值等於轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根； 它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。（5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電感測器的低頻特性。（6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。 標簽：直線位移感測器 拉繩位移感測器 磁致伸縮位移感測器 潤滑油泵 角度位移感測器

㈣ 壓電材料的材料參數

壓電系數d33
壓電系數是壓電體把機械能轉變成電能或把電能轉變成機械能的轉變系數，反應壓電材料彈性性能與介電性能之間的耦合關系 自由介電常數εT33（free permittivity）
電介質在應變為零（或常數）時的介電常數，其單位為法拉/米。
相對介電常數εTr3（relative permittivity）
介電常數εT33與真空介電常數ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一個無因次的物理量。
介質損耗（dielectric loss）
電介質在電場作用下，由於電極化弛豫過程和漏導等原因在電介質內所損耗的能量。
損耗角正切tgδ（tangent of loss angle）
理想電介質在正弦交變電場作用下流過的電流比電壓相位超前90 0，但是在壓電陶瓷試樣中因有能量損耗，電流超前的相位角ψ小於900，它的餘角δ（δ+ψ=900）稱為損耗角，它是一個無因次的物理量，人們通常用損耗角正切tgδ來表示介質損耗的大小，它表示了電介質的有功功率（損失功率）P與無功功率Q之比。即： 電學品質因數Qe（electrical quality factor）
電學品質因數的值等於試樣的損耗角正切值的倒數，用Qe表示，它是一個無因次的物理量。若用並聯等效電路表示交變電場中的壓電陶瓷的試樣，則 Qe=1/ tgδ=ωCR
機械品質因數Qm（mechanical quanlity factor）
壓電振子在諧振時儲存的機械能與在一個周期內損耗的機械能之比稱為機械品質因數。它與振子參數的關系式為：
泊松比（poissons ratio）
泊松比系指固體在應力作用下的橫向相對收縮與縱向相對伸長之比，是一個無因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11
串聯諧振頻率fs（series resonance frequency）
壓電振子等效電路中串聯支路的諧振頻率稱為串聯諧振頻率，用f s 表示，即
並聯諧振頻率fp（parallel resonance frequency）
壓電振子等效電路中並聯支路的諧振頻率稱為並聯諧振頻率，用f p 表示，即f p = 諧振頻率fr（resonance frequency）
使壓電振子的電納為零的一對頻率中較低的一個頻率稱為諧振頻率，用f r 表示。
反諧振頻率fa（antiresonance frequency）
使壓電振子的電納為零的一對頻率中較高的一個頻率稱為反諧振頻率，用f a 表示。
最大導納頻率fm（maximum admittance frequency）
壓電振子導納最大時的頻率稱為最大導納頻率，這時振子的阻抗最小，故又稱為最小阻抗頻率，用f m表示。
最小導納頻率fn（minimum admittance frequency）
壓電振子導納最小時的頻率稱為最小導納頻率，這時振子的阻抗最大，故又稱為最大阻抗頻率，用f n表示。
基頻（fundamental frequency）
給定的一種振動模式中最低的諧振頻率稱為基音頻率，通常成為基頻。
泛音頻率（fundamental frequency）
給定的一種振動模式中基頻以外的諧振頻率稱為泛音頻率。
溫度穩定性（temperature stability）
溫度穩定性系指壓電陶瓷的性能隨溫度而變化的特性。
在某一溫度下，溫度變化1℃時，某頻率的數值變化與該溫度下頻率的數值之比，稱為頻率的溫度系數TKf。
另外，通常還用最大相對漂移來表徵某一參數的溫度穩定性。
正溫最大相對頻移=△f s (正溫最大)/ f s(25℃)
負溫最大相對頻移=△f s (負溫最大)/ f s(25℃)
機電耦合系數（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）
機電耦合系數K是彈性一介電相互作用能量密度平方V122與貯存的彈性能密度V1與介電能密度V2乘積之比的平方根。
壓電陶瓷常用以下五個基本耦合系數
A、平面機電耦合系數KP（反映薄圓片沿厚度方向極化和電激勵，作徑向伸縮振動時機電耦合效應的參數。）
B、橫向機電耦合系數K31（反映細長條沿厚度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機電耦合效應的參數。）
C、縱向機電耦合系數K33（反映細棒沿長度方向極化和電激勵，作長度伸縮振動的機電耦合效應的參數。）
D、厚度伸縮機電耦合系數KT（反映薄片沿厚度方向極化和電激勵，作厚度方向伸縮振動的機電效應的參數。）
E、厚度切變機電耦合系數K15（反映矩形板沿長度方向極化，激勵電場的方向垂直於極化方向，作厚度切變振動時機電耦合效應的參數。）
壓電應變常數D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）
壓電應變常數是在應力T和電場分量EM(M≠I)都為常數的條件下，電場分量E變化所引起的應變分量SI的變化與EI變化之比。
壓電電壓常數G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)
該常數是在電位移D和應力分量TN（N≠I）都為常數的條件下，應力分量TI的變化所引起的電場強度分量EI的變化與TI的變化之比。
居里溫度TC(CURIE TEMPERATURE)
壓電陶瓷只在某一溫度范圍內具有壓電效應，它有一臨界溫度TC，當溫度高於TC時，壓電陶瓷發生結構相轉變，這個臨界溫度TC稱為居里溫度。
溫度穩定性(TEMPERATURE STABILITY)
指壓電陶瓷的性能隨著溫度變化的特性，一般描述溫度穩定性有溫度系數或最大相對漂移二種方法。
十倍時間老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一參數
頻率常數(FREQUENCY CONSTANT)
對於徑向和橫向長度伸縮振動模式，其頻率常數為串聯諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（直徑或長度）的乘積。對於縱向長度厚度和伸縮切變振動模式，其頻率常數為並聯諧振頻率與決定此頻率的振子尺寸（長度或厚度）的乘積，其單位：HZ.M