壓電陶瓷的工作原理及其應(yīng)用
今天Aigtek安泰電子就帶你具體了解一下什么是壓電？
“piezo”壓電這個(gè)詞是希臘語(yǔ)中“壓力”一詞所衍生而來(lái)，1880年諾貝爾獎(jiǎng)得主物理學(xué)家皮埃爾?居里和雅克?保羅?居里發(fā)現(xiàn)針對(duì)石英、電氣石等多種晶體施加壓力會(huì)出現(xiàn)電荷，并將此現(xiàn)象稱為"piezoelectric effect"（壓電效應(yīng)）。在隨后的研究中還發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)能夠讓壓電材料變形，此效應(yīng)被稱之為"inverse piezoelectric effect"（逆壓電效應(yīng)）。后來(lái)越來(lái)越多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)施加電場(chǎng)的時(shí)候鈦酸鋇會(huì)在有效范圍內(nèi)利用壓電特性，產(chǎn)業(yè)突破>>便伴隨著壓電陶瓷而來(lái)。壓電效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在揚(yáng)聲器、打火器和信號(hào)轉(zhuǎn)化器等各種日常生活用品中。
正、逆壓電效應(yīng)：
針對(duì)壓電材料表面施加壓力會(huì)出現(xiàn)電荷，這種直接的壓電效應(yīng)，被稱為發(fā)電機(jī)或者傳感器效應(yīng)，主要是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。反之，施加一定的電壓，逆壓電效應(yīng)會(huì)改變材料的長(zhǎng)度。這種促動(dòng)器的效應(yīng)會(huì)把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。單晶材料和多晶鐵電陶瓷都會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，在單晶中，晶格晶胞的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即低于居里溫度TC時(shí)形成的極軸，是產(chǎn)生這種效應(yīng)的充分必要條件。
極化壓電陶瓷的膨脹：
施加電場(chǎng)，陶瓷就會(huì)膨脹，而極化場(chǎng)就會(huì)減弱，這種效應(yīng)主要是內(nèi)在效應(yīng)和外在效應(yīng)組成，內(nèi)在效應(yīng)主要是晶格中離子的壓電唯一，而外在效應(yīng)則是晶胞的可逆鐵電重定向，它會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，這也是為什么鐵電壓電陶瓷大部分非線性遲滯和漂移特性的原因。
鐵電壓電陶瓷在不同控制振幅下的位移
機(jī)電性能：
極化壓電材料可由若干種系數(shù)和關(guān)系進(jìn)行定性。
電氣和彈性特性之間的基本關(guān)系可以用如下簡(jiǎn)化公式表示：
D電通密度，T機(jī)械應(yīng)力，E電場(chǎng)，S機(jī)械應(yīng)變，S機(jī)械應(yīng)變，d壓電應(yīng)變常數(shù)，εT介電常數(shù)（T=常數(shù)），sE柔度或彈性系數(shù)（E=常數(shù)）
這些關(guān)系僅適用于較小的電氣和機(jī)械振幅，即所謂的小信號(hào)值。在此范圍內(nèi)，機(jī)械、彈性變形S或應(yīng)力T和電場(chǎng)E或電通量密度D之間是線性關(guān)系，系數(shù)值是常數(shù)。可在材料數(shù)據(jù)表中找到這些小信號(hào)系數(shù)。
動(dòng)態(tài)行為：
激發(fā)振蕩的壓電體的機(jī)電特性可用電氣等效電路圖表示。C0是指介質(zhì)的電容。包含C1、L1和R1的串聯(lián)電路描述了彈性變形、有效質(zhì)量（慣性）和內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的機(jī)械損失等機(jī)械性能的變化。然而，此振蕩電路的描述僅適用于機(jī)械固有諧振附近的頻率。大多數(shù)壓電材料參數(shù)是通過(guò)對(duì)共振時(shí)的特殊試驗(yàn)體進(jìn)行阻抗測(cè)量來(lái)確定。串聯(lián)和并聯(lián)共振都被用來(lái)確定壓電參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)最小阻抗fm和最大阻抗fn的充分逼近值。
圖：壓電晶體諧振器的等效電路圖 圖：典型阻抗曲線
壓電陶瓷元件的振蕩狀態(tài)：
振蕩狀態(tài)或模式與變形是由個(gè)體的幾何形狀、機(jī)械-彈性特征以及電場(chǎng)和極化的方向決定的。
壓電陶瓷是一種能將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷，在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅(qū)動(dòng)器、濾波器、電子點(diǎn)火器等方面有著廣泛的應(yīng)用。鋯鈦酸鉛（Pb(Zr1-xTiO3)，PZT）陶瓷具有優(yōu)良的壓電、介電性能。由于其穩(wěn)定性好，精度高，能量轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快，機(jī)械品質(zhì)因子、壓電系數(shù)、機(jī)電耦合常數(shù)明顯優(yōu)于無(wú)鉛壓電陶瓷，被廣泛應(yīng)用于壓電傳感及驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，如超聲換能器等，對(duì)結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、能量采集等領(lǐng)域具有重大意義。
PZT壓電陶瓷的應(yīng)用：
近年來(lái)，PZT壓電陶瓷在包括但不限于以下幾個(gè)方面得到了應(yīng)用：
（1）高位移新型壓電制動(dòng)器
?。?/span>2）壓電變壓器
?。?/span>3）用于主動(dòng)減震和降噪的壓電器件
（4）醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器
伴隨著壓電陶瓷技術(shù)的不斷發(fā)展，各種適用于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的功率放大器也應(yīng)運(yùn)而生。安泰功率放大器ATA-4315在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中也應(yīng)用廣泛，能夠驅(qū)動(dòng)各種功率負(fù)載，滿足不同壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的指標(biāo)需求。
ATA-4315高壓功率放大器參數(shù)指標(biāo)：
以上就是安泰電子為大家?guī)?lái)的壓電陶瓷的工作原理及其應(yīng)用的科普文章，相信大家現(xiàn)在對(duì)于壓電陶瓷的工作機(jī)制和使用場(chǎng)景都有了一定的認(rèn)識(shí)，了解更多功率放大器與壓電陶瓷的應(yīng)用，可隨時(shí)聯(lián)系我們。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號(hào)源、前置微小信號(hào)放大器、高精度電壓源、高精度電流源、功率放大器模塊等電子測(cè)量?jī)x器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。公司致力于功率放大器、功率信號(hào)源、計(jì)量校準(zhǔn)產(chǎn)品等產(chǎn)品為核心的相關(guān)行業(yè)測(cè)試解決方案的研究，為用戶提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的測(cè)試方案，Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。如想了解更多實(shí)驗(yàn)方案，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注安泰電子官網(wǎng)www.168lai.com或撥打029-88865020。
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