压电材料压电性的参数及测量方法

㈠ 压电式传感器压电材料的主要特性参数

压电式传感器的核心组件之一是压电材料，其特性参数对传感器的性能至关重要。首先，压电常数，这个参数直接反映了材料的压电效应强度，它决定了传感器在机械应力作用下输出电压信号的灵敏度。

其次，材料的弹性常数和刚度影响着压电元件的固有频率和动态特性。固有频率高，意味着传感器响应速度快，而动态特性良好则能有效抑制噪声干扰。压电元件的固有电容，与介电常数紧密相关，它决定了传感器工作时的频率下限，电容越大，可能的频率范围越宽。

压电效应中的机械耦合系数，即输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量材料机电能量转换效率的关键指标。这个参数越大，表示能量转换的效率越高，压电传感器的性能也就越优秀。

压电材料的绝缘电阻是另一个重要特性，它有助于减少电荷泄漏，从而优化压电传感器在低频环境下的性能。高的绝缘电阻意味着信号传输更稳定，抗干扰能力更强。

最后，压电材料有一个重要的物理特性，即居里点温度，当温度超过这个临界值，材料的压电效应会显着减弱甚至消失。因此，选择适合工作温度范围的压电材料对传感器的长期稳定运行至关重要。

基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

㈡ 压电方程及压电效应

对于压电材料的性能，我们有以下四个方面的考虑：

1、压电材料是弹性体，它在力学效应上服从胡克定律，即应力τ和应变e之间服从弹性关系：τ=ce 或 e=sτ式中c为弹性模量，表示物体产生单位应变所需的力；s为弹性顺从系数，表示材料的应力与应变之间的关系。

2、压电材料是铁电体，电学参数-电场强度E和电位移强度D之间服从介电关系式：E=βD 或 D=εE，式中ε为电容率，反映材料的介电性质，与压电体附上电极所构成的电容有关。β为介电诱导系数。

3、压电材料在磁学效应中有：B=μH，式中B为磁感应强度，H为磁场强度，μ为磁导率。

4、压电材料在热学效应中有：Q=φσ/ρc，式中Q为热量；φ为温度；σ为熵；ρ为介质密度；c为材料比热。

在压电效应中，力学量与电学量存在相互作用。把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学量--电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。

对于压电体，我们通常只考虑力学效应和电学效应，以及它们之间的相互作用。在电输出短路和电开路状态下，我们分别得到d型和g型压电方程。在电开路状态且压电体自由形变时，我们得到i型压电方程；在电开路状态且压电体被夹紧时，我们得到h型压电方程。

四组压电方程为：d型压电方程、g型压电方程、i型压电方程和h型压电方程。它们分别描述了压电材料在不同条件下力学量与电学量的关系。

通过解压电方程，我们得到参数间的关系。例如，d表示应力不变时由电场引起的相对应变，g表示电位移强度不变时由应力引起的电场强度变化。

d和i参数代表逆压电效应，它们反映了压电材料发射超声波的能力。g和h参数代表正压电效应，它们反映了压电材料接收超声波的能力。

这四个参数间有换算关系，例如d=ετg=ieE；g=βτd=heD；i=εeh=dcE；h=βei=gcD。

㈢ 压电材料的主要特性参数有哪些

压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数：压电常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）弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（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，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量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：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。 标签：直线位移传感器 拉绳位移传感器 磁致伸缩位移传感器 润滑油泵 角度位移传感器

㈣ 压电材料的材料参数

压电系数d33
压电系数是压电体把机械能转变成电能或把电能转变成机械能的转变系数，反应压电材料弹性性能与介电性能之间的耦合关系 自由介电常数εT33（free permittivity）
电介质在应变为零（或常数）时的介电常数，其单位为法拉/米。
相对介电常数εTr3（relative permittivity）
介电常数εT33与真空介电常数ε0之比值，εTr3=εT33/ε0，它是一个无因次的物理量。
介质损耗（dielectric loss）
电介质在电场作用下，由于电极化弛豫过程和漏导等原因在电介质内所损耗的能量。
损耗角正切tgδ（tangent of loss angle）
理想电介质在正弦交变电场作用下流过的电流比电压相位超前90 0，但是在压电陶瓷试样中因有能量损耗，电流超前的相位角ψ小于900，它的余角δ（δ+ψ=900）称为损耗角，它是一个无因次的物理量，人们通常用损耗角正切tgδ来表示介质损耗的大小，它表示了电介质的有功功率（损失功率）P与无功功率Q之比。即： 电学品质因数Qe（electrical quality factor）
电学品质因数的值等于试样的损耗角正切值的倒数，用Qe表示，它是一个无因次的物理量。若用并联等效电路表示交变电场中的压电陶瓷的试样，则 Qe=1/ tgδ=ωCR
机械品质因数Qm（mechanical quanlity factor）
压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比称为机械品质因数。它与振子参数的关系式为：
泊松比（poissons ratio）
泊松比系指固体在应力作用下的横向相对收缩与纵向相对伸长之比，是一个无因次的物理量，用δ表示： δ= - S 12 /S11
串联谐振频率fs（series resonance frequency）
压电振子等效电路中串联支路的谐振频率称为串联谐振频率，用f s 表示，即
并联谐振频率fp（parallel resonance frequency）
压电振子等效电路中并联支路的谐振频率称为并联谐振频率，用f p 表示，即f p = 谐振频率fr（resonance frequency）
使压电振子的电纳为零的一对频率中较低的一个频率称为谐振频率，用f r 表示。
反谐振频率fa（antiresonance frequency）
使压电振子的电纳为零的一对频率中较高的一个频率称为反谐振频率，用f a 表示。
最大导纳频率fm（maximum admittance frequency）
压电振子导纳最大时的频率称为最大导纳频率，这时振子的阻抗最小，故又称为最小阻抗频率，用f m表示。
最小导纳频率fn（minimum admittance frequency）
压电振子导纳最小时的频率称为最小导纳频率，这时振子的阻抗最大，故又称为最大阻抗频率，用f n表示。
基频（fundamental frequency）
给定的一种振动模式中最低的谐振频率称为基音频率，通常成为基频。
泛音频率（fundamental frequency）
给定的一种振动模式中基频以外的谐振频率称为泛音频率。
温度稳定性（temperature stability）
温度稳定性系指压电陶瓷的性能随温度而变化的特性。
在某一温度下，温度变化1℃时，某频率的数值变化与该温度下频率的数值之比，称为频率的温度系数TKf。
另外，通常还用最大相对漂移来表征某一参数的温度稳定性。
正温最大相对频移=△f s (正温最大)/ f s(25℃)
负温最大相对频移=△f s (负温最大)/ f s(25℃)
机电耦合系数（ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT）
机电耦合系数K是弹性一介电相互作用能量密度平方V122与贮存的弹性能密度V1与介电能密度V2乘积之比的平方根。
压电陶瓷常用以下五个基本耦合系数
A、平面机电耦合系数KP（反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数。）
B、横向机电耦合系数K31（反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。）
C、纵向机电耦合系数K33（反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。）
D、厚度伸缩机电耦合系数KT（反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数。）
E、厚度切变机电耦合系数K15（反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数。）
压电应变常数D（PIEZOELECTRIC STRAIN CONSTANT）
压电应变常数是在应力T和电场分量EM(M≠I)都为常数的条件下，电场分量E变化所引起的应变分量SI的变化与EI变化之比。
压电电压常数G(PIEZOELECTRIC VOLTAGE CONSTANT)
该常数是在电位移D和应力分量TN（N≠I）都为常数的条件下，应力分量TI的变化所引起的电场强度分量EI的变化与TI的变化之比。
居里温度TC(CURIE TEMPERATURE)
压电陶瓷只在某一温度范围内具有压电效应，它有一临界温度TC，当温度高于TC时，压电陶瓷发生结构相转变，这个临界温度TC称为居里温度。
温度稳定性(TEMPERATURE STABILITY)
指压电陶瓷的性能随着温度变化的特性，一般描述温度稳定性有温度系数或最大相对漂移二种方法。
十倍时间老化率(AGEING RATE PER DECADE) Y表示某一参数
频率常数(FREQUENCY CONSTANT)
对于径向和横向长度伸缩振动模式，其频率常数为串联谐振频率与决定此频率的振子尺寸（直径或长度）的乘积。对于纵向长度厚度和伸缩切变振动模式，其频率常数为并联谐振频率与决定此频率的振子尺寸（长度或厚度）的乘积，其单位：HZ.M