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ag追杀模式一般多久压电原理与压电式传感器论文

发布日期:2020-10-18 09:14

  湖南工业大学毕业论文压电原理与压电式传感器 物理与电子工程系学生姓名:x 目录摘要 1.1线性状态方程和线系压电材料 2.3压电陶瓷-高聚物复合材料 2.4压电性特异的多元单晶压电体 3.1压电式压力传感器 3.2压电式加速度传感器 3.3换能器 103.4 压电驱动器 103.5 压电式传感在机器人接近觉中的应用 11参考文献 摘要本文除重点介绍压电效应以外,还要介绍电致伸缩效应,并讨论铁电性压电材料的 特点和代表性的铁电性压电材料。压电材料在机电换能、传感计测、频率选择和控制 等方面实现了广泛的应用。 articlefocuses piezoelectriceffect alsointroduced electrostrictiveeffect, ferroelectriccharacteristics piezoelectricmaterials representativeferroelectric piezoelectric material. Piezoelectric material mechanicaltransducer, sensor measurement, widerange applications.关键词: 压电原理 ,压电效应,变压器 Piezoelectric theory, piezoelectric effect, transformers 引言 压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶 体对称的关系时,发现压力可产生电效应,即在某些晶体的特定方向加压力时,相应 的表面上出现正负的电荷,而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些 晶体中就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠(罗息盐)。1881 年Lippman 应用热 力学原理预言了逆压电效应(converse piezoelectric effect),即电场可以引起与 之成正比的应变。很快这一预言被居里兄弟用实验所证实了。ag追杀模式一般多久 接着Hankl 引入了 piezoelectricity(压电性)这个名词。Voigt 应用对称性原理建立了压电性的唯象理 论。他将弹性顺度张量和极化矢量的分量与晶体的对称操作联系起来,得知在32 晶体点群中作为三阶张量的压电常量有哪些张量元不为零,并指出它们之间有什么关系。在微观理论方面,玻恩和他合作者在晶格动力学的框架内研究了压电效应,并且 计算了一些晶体(如闪锌矿)的压电常量。 压电材料的实用化是进一步研究压电效应的推动力。实用化方面早期有两个奠定性的工作。第一,1916 年郎之万发明了用石英晶体制作的水声发射器和接收器,并用 于探测水下的物体。第二,1918 年Cady 通过对罗息盐晶体在机械谐振频率附近的 特异的电性能研究发明了谐振器。前者是最早的压电换能器,后者则为压电材料材料 在在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础 1.压电原理1.1 线性状态方程和线性响应系数 处理电介质平衡性质的基本理论是线性理论。该理论成立条件是系统状态相对其初 始态的偏离较小,在特征函数对独立变量的展开式中可忽略二次以上的高次项,而在 热力学量对独立变量的展开式中可以只取线性项。 考虑以温度T,应力X 和电场E 为独立变量的情况,于是相应的特征函数为吉布 斯自由能G。假设温度、应力和电场分别发生了小的变化dT,dX 和dE,而且初始态 的应力和电场为零,故dX=X,和dE=E。当这些变化足够小时,可用泰勒级数展开 G,只取到二次项 (1.1)因为 SdTdG (1.2)所以 (1.3)将dS,x 的函数,在零应力和零电场附近作泰勒展开,取近似只保留一次项 (1.4)(1.5) (1.6)利用式(1.3)此三式成为 (1.9)引入 (1.15)于是式(707)—(7.9)成为 (1.18)这就是弹性电介质的线性状态方程。方程中的系数叫线形响应系数,它们是电介质 的物性参量。上标标明响应过程中保持不变的量。由式(1.10)—(1.15)可知,这 些线形响应系数就是特征函数展开式中二次方项的系数。这表明,在特征函数展开式 中取到二次方项等效于在线形范围内描写电介质,二次方项的系数就是相应的物质参 量。上面共出现了6 个物性参量,它们反映了弹性电介质中六种线性效应,分析如下。 应力X 和应变x 之间的弹性效应用弹性顺度s 描写。电位移D 和电场E 之间的介 电效应用电容 描写。应力X(或应变x)与电位移D(或电场E)之间的压效应用压 电常量d 描写。温度T(或熵S)与应变x(或应力X)之间的热膨胀效应用热膨胀 系数 描写。温度T(或熵S)与电位移D(或电场E)之间的热电效应用热电系数 在式(1.10)—(1.12)中,利用特征函数G的二次偏微商与微商次序无关的原理, 得到如下关系式: (1.21)他们物理意义是:正效应与逆效应相等。例如上面第一式表示压电常量,第二式表示 热电系数等于电热系数。由其他特征函数出发,也可得到一些类似的关系式,他们统 称麦克斯韦关系式。 1.2压电方程和常量 压电体在工作过程中不可避免的发热,难以保持等温条件。但热交换通常可以忽略, 既满足绝热条件,因此要研究绝热条件下的压电体的性质。先讨论以应力和电场为独 立变量的情况。因为 TdSdH (1.22)所以相应的特征函数是焓H。利用与上相似的方法见式(1.4)-(1.8)得到线性状 态方程如下: (1.25)在应用绝热条件下,得出 (1.27)式中已省去了代表绝热的上标S。 以应变为x 和电场E 为独立变量时,相应的方程为 (1.29)以应变和电位移为独立变量时,相应的方程为 (1.31)以应力和电位移为独立变量时,相应的方程为 (1.33)上面四组方程中引入了4 个压电常量,它们的定义及其在SI 单位制中的单位如下: (1.34)单位为C/N (1.35)单位为N/C (1.36)单位为Vm/N (1.37)单位为 压电常量是反映力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)间相互偶合的线性响应系数。独立变量不同时,相应的压电常量也不相同。实用中,由 mi 可计算单位电场引起的应变,由 mi 可计算一定长度的压电元件中单位应力引起的电压,所以前者称为压电应变常量,后者称为压电电压常量。 mi 给出单位电场引起应力,mi 表示造成单位应变所需的电场,所以分别称为压电应力常量和压电刚度常量。 2.1细晶粒压电陶瓷 下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。 以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料,尺寸已不能 满足需要了。减小粒径至亚微米级,可以改进材料的加工性,可将基片做地更薄,可 提高阵列频率,降低换能器阵列的损耗,提高器件的机械强度,减小多层器件每层的 厚度,从而降低驱动电压,这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上 述如此多的好处,但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响,人们更 改了传统的掺杂工艺,使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水 平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来,人们用细晶粒压电 陶瓷进行了切割研磨研究,并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器(瓷 片20-30um厚),证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳米技术的发展,细晶粒 压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。 2.2PbTiO3系压电材料 PbTiO3 系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3 瓷烧成难、极化难、制作大尺寸产品难的问题,人们还是在改性方面作了大量工作,改善其烧结性。抑制晶粒长大,从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3 料。近几年,改良PbTiO3材料报道较多,在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应 用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。 2.3 压电陶瓷-高聚物复合材料 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料,兼备无机和有机压电材料 的性能,并能产生两相都没有的特性。因此,可以根据需要,综合二相材料的优点, 制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高,比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面,压电复合材料也有较大优势。国内学 者对这个领域也颇感兴趣,做了大量的工艺研究,并在复合材料的结构和性能方面做 了一些有益的基础研究工作,目前正致力于压电复合材料产品的开发。 2.4压电性特异的多元单晶压电体 传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强,从而得到了广泛应用。但 作为大应边,高能换能材料,传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年 来,人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料,做了大量工作,现已发现并研 制出了Pb(A )。这类单晶的d33最高可达 2600pc/N(压电陶瓷d33 最大为850pc/N),k33 可高达0.95(压电陶瓷K33 最高 达0.8),其应变

  1.7%,几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg, 而压电陶瓷储能密度在10J/kg 以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料 发展的又一次飞跃。ag追杀模式一般多久。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺 研究,它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。 3、压电式传感器一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下, 而且在机械力作用下,都会产生极化现象。即: 在这些电介质的一定方向上施加机械 力而产生变形时,就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化,从而导致 其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷,且其电位移D(在MKS 单位制 中即电荷密度σ)与外应力张量T 成正比;当外力消失,又恢复不带电原状;当外力变 向,电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应,或简称压电效应。 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应,目前广泛使用的压电材料 有石英和钛酸钡等,当这些晶体受压力作用发生机械变形时,在其相对的两个侧面上 产生异性电荷,这种现象称为“压电效应”。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中 石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温 度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这 个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数 比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵 敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺 属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上,比如现在的压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经 过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况 不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力 3.1压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器 的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的,所以在连接时要特别注意, 避免漏电。 压电式压力传感器的优点是具有自生信号,输出信号大,较高的频率响应,体积小, 结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆,在受到突然振动或过大压力 时,自我恢复较慢。 3.2压电式加速度传感器 压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极,并引出 引线。在压电晶片上放置一个质量块,质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合 金制成。然后用一硬弹簧或螺栓,螺帽对质量块预加载荷,整个组件装在一个原基座 的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去,避免产生假信号输出, 所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造,壳体和基座的重量差不多占传 感器重量的一半。 测量时,将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时,由 于基座和质量块的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很 小。因此质量块经受到与基座相同的运动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。 这样,质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压 电效应,因此在它的两个表面上就产生交变电荷(电压),当加速度频率远低于传感器 10 的固有频率时,传感器给输出电压与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比,输 出电量由传感器输出端引出,输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试 件的加速度;如果在放大器中加进适当的积分电路,就可以测试试件的振动速度或位 压电材料的应用领域可以粗略分为两大类:即振动能和超声振动能-电能换能器应用包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。 3.3换能器 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。 压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应,而换能器设计则利用了聚合 物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动,利用上述原理可生产电声器 件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中 在利用压电聚合物的特点,研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功 能的器件,如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。 压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用,如用于水下探测的大面积传感 器阵列和监视系统等,随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。 为满足特定要求而开发的各种原型水声器件,采用了不同类型和形状的压电聚合物材 料,如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等,以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、 易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点,最后一个特 点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中,感知声场内的声压,且不 致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬 态振荡,从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 压电聚合物换能器在生物医学传感器领域,尤其是超声成像中,获得了最为成功 的应用、PVDF 薄膜优异的柔韧性和成型性,使其易于应用到许多传感器产品中。 3.4 压电驱动器 11 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,聚合物驱动器主 要以聚合物双晶片作为基础,包括利用横向效应和纵向效应两种方式,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。要使这些创造性 设想获得实际应用,还需要进行大量研究。电子束辐照P(VDF-TrFE)共聚合物使该 材料具备了产生大伸缩应变的能力,从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。 在潜在国防应用前景的推动下,利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置 的研究,在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外,利用辐照改性共 聚物的优异特性,研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用,还需要进行大量的 探索。 [10] 3.5 压电式传感在机器人接近觉中的应用 机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个:其一,在接触对象物体之前,获 得必要的信息,为下一步运动做好准备工作;其二,探测机器人手和足的运动空间中 有无障碍物。如发现有障碍,则及时采取一定措施,避免发生碰撞;其三,为获取对 象物体表面形状的大致信息。 超声波是人耳听见的一种机械波,频率在20KHZ 以上。人耳能听到的声音,振动 频率范围只是20HZ-20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小,而能成为声波射线 并定向传播,机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的 距离。一般用来探测周围环境中较大的物体,不能测量距离小于30mm的物体。 超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它 的工作原理大致是这样的:首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。 发射器发出一连串超声波后即自行关闭,停止发射。同时超声接受器开始检测回声信 号,定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后,就被反射回来。等到超声接受器收 到回声信号后,定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间,是从发射超声波开 始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值,可以换算出被测物体到超声传感 器之间的距离。这个换算的公式很简单,即声波传播时间的一半与声波在介质中传播 速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压 12 器、滤波器等。 [11] 参考文献 陈创天,新型材料与材料科学,科学出版社,北京270(1988)[10] 许煜寰,铁电与压电材料,科学出版社(1978) [11] 刘长乐,物理学报,15,1000(1990) 感谢xx 老师悉心指导 试题【】 1.试题的概念 用于考试的题目,要求按照标准回答。 它是命题者按照 一定的考核目的编写出来的。 2.试题的应用领域 如今试题涉及各个领域,它是考核某 种技能水平的标准。 比如,在各行业的招聘中,有招聘的试题。可以说,只要有考核要求, 就会有试题。 试题用的最多的应该还是在教育中,在高考中,有高考试题;在中考中有中考 试题;教学中老师想考核学生,也是用试题考核。 3.网络的试题资源 随着网络的发展, 试题不再仅仅是写在纸上了,网上也有丰富的试题资源,有很对网站都提供了丰富的试题资源, 13 不过最精良的资源往往是收费的。 但是通常在日常中,使用者往往更喜欢于找免费的试题资 源网站。 常用的免费试题资源下载可以去教育网址站“千教网”上边查找,上边把免费和收费 的网站分开了,涵盖了幼儿,小学,初中,高中,自考,成考,公务员,留学等方面的资源网址。 解考试紧张的食物 牛奶 钙是天然的神经系统稳定剂。研究证明,人在受到某种压力时,通过小便排出体外 的钙会增加。因此,考生要注意选择含钙高的牛奶、酸奶等食物,可稳定情绪。 香蕉 有一种特殊物质,能帮助人脑产生5-羟色胺,促使人的心情变得安定、舒畅。香蕉中富含的钾能使神经肌肉兴奋性维持常态,使血压处于正常状态。香蕉中含有的镁具有消除疲劳、缓解紧张的 功效。 柑橘 多吃富含维生素C 的食物也具有平衡心理压力的效果。维生素C 的主要来 源为新鲜的蔬菜和水果,其中柑橘类水果及番茄是维生素C 的最佳来源。 小米粥 富含 人体所需的氨基酸及其他优质蛋白质、各种矿物质、胡萝卜素等。常喝小米粥可调节人体内分泌, 松弛神经。 红茶 有降低机体应激激素分泌水平的功效,每天饮用红茶,有利于舒缓神 编辑本段常见的考试1.升学考试:中国选拔优秀人才,向来以考试为准,在升学过程中考试就是必不可少的一部 分。常见的升学考试有小升初、中考、高考等,其中高考也是最重要的考试之一。 2.职位/ 资格考试:同样在选拔优秀员工或工作人员上,也有很多非常重要的考试。常见的有公务员考试、 招警考试等等。 3.语言考试:改革开放,中国的留学和移民现象也越来越热,其中也出现一 些相应的考试,留学和技术移民必须通过一定的语言测试,如去英美国家必考的雅思等等 编辑本段科举考试历史 14 概述 中国古代的科举考试 科举考试是隋唐到清代的封建王朝分科考选文武官吏及后备人 员的制度。唐朝文科的科目很多,每年都举行。明清两代文科只设进士一科,考八股文。武科考 骑射、举重等武艺。武则天时设立武举,即是武状元. 童生试:也叫“童试”,应试者不分年龄 大小都称童生,合格(学习成绩优秀的一二等学生)后取得生员(秀才、相公)资格,这样才能 参加科举考试。 乡试: 明清两代每三年在各省省城举行的一次考试,由秀才参加,考取的 叫举人,取得参加中央一级的会试的资格。第一名叫解元。

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