南京邮电大学：重大工程结构损伤在线监测虚拟仿真实验（讲稿）

南京郊电大学NarngUinyJpotsangTeecatigt3.2压电元件自动化学院人工智能学院

3.2 压电元件

南京雲大学Naring Unientty it Jp3.2压电元件压电元件的分类在结构健康监控系统中，常用的压电元件主要有压电陶瓷、压电薄膜。随着压电元件在智能结构中的广泛应用，很多新型的压电材料及压电元件也不断出现包括大应变单晶压电材料，压电纤维元件，可设计性很强的压电复合材料等。1）压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。它是以钙钛矿型的钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3（PZT）和锯酸盐系列KbO3-PbNb2O等为基本成分、将原料粉碎、成型，通过1000°C以上的高温烧结得到的多晶铁电体。压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能：成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷ooooooQ金属衬底old00000自动化学

压电元件的分类 在结构健康监控系统丨，常用的压电元件主要有压电陶瓷、压电薄膜。随着 压电元件在智能结构丨的广泛应用，很多新型的压电材料及压电元件也丌断出现， 包括大应发单晶压电材料，压电纤维元件，可讴计性很强的压电复合材料等。 1）压电陶瓷 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。它是以钙钛矿型的钛酸钡 BaTiO3，钛酸铅PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3－PbZrO3﹙PZT﹚和铌酸盐系列 KbO3－PbNb2O等为基本成分、将原料粉碎、成型，通过1000℃以上的高温烧结 得到的多晶铁电体。 压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配 斱和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广 泛应用。 3.2 压电元件

3.2压电元件MEASMEAS-SPEC.COM压电元件的分类2）压电薄膜压电薄膜是经延展拉伸和电极化后具有压电效应的高分子聚合物，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙稀（PVC）等。这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度较高，蠕变小、耐冲击，体电阻达1012Q.m，击穿强度为150kV/mm~200kV/mm，热释电性和热稳定性好，且便于批生产和大面积使用。电板、PVDF薄膜电极3）压电单晶聚酯基片天然石英材料是本身就具有压电特性的单晶材料。石英晶体是各向异性材料通过不同的切型可获得不同特性的压电元件。石英压电元件具有很好的稳定性但压电常数较小。除了天然石英晶体以外目前也有人工制备的压电单晶材料如铁电晶体材料等。4）压电复合材料压电复合材料是指由压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式合成市构成的一种具有压电效应的复合材料，这种压电复合材料同样既保持了高分子压自动电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数

压电元件的分类 2）压电薄膜 压电薄膜是经延展拉伸和电极化后具有压电效应的高分子聚合物，如聚氟乙 烯﹙PVF﹚、聚偏氟乙烯﹙PVF2﹚、聚氯乙秲﹙PVC﹚等。这些材料的独特优点 是质轻柔软，抗拉强度较高，蠕发小、耐冲击，体电阷达1012Ω.m，击穹强度为 150 kV/mm~200kV/mm，热释电性和热稳定性好，且便于批生产和大面积使用。 3）压电单晶 天然石英材料是本身就具有压电特性的单晶材料。石英晶体是各向异性材料， 通过丌同的切型可获得丌同特性的压电元件。石英压电元件具有很好的稳定性， 但压电常数较小。除了天然石英晶体以外，目前也有人工制备的压电单晶材料， 如铁电晶体材料等。 4）压电复合材料 压电复合材料是指由压电相材料不非压电相材料按照一定的连通斱式合成而 构成的一种具有压电效应的复合材料，这种压电复合材料同样既保持了高分子压 电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。 3.2 压电元件

南京产电大学Naring Univenstly ar Jr3.2压电元件压电方程压电效应本质上是机械能与电能之间的转换，因此可利用一些电能与机械能的数学表示式来描述或衡量压电元件的特性，这种表达式被称为压电方程式。9N023(D.)dudi2 di3 di4 disdie03D,a d21 d22 d23 d24 d,=4Dda, dg2 d33 d34 dgs d36OsC6d矩阵为压电常数矩阵，共有18个分量XD,=duouie[1,3]ue[1,6]压电元件坐标系D,=dmou+eEε应力为零（或常数）的压电元件的介电常数自动化学院人工智能学院

压电斱秳 压电效应本质上是机械能不电能乊间的转换，因此可利用一些电能不机械能 的数学表示式来描述或衡量压电元件的特性，这种表达式被称为压电斱秳式。 X 1 4 Y 2 5 Z 3 6                                          6 5 4 3 2 1 36 26 16 35 25 15 34 24 14 33 23 13 32 22 12 31 21 11 3 2 1       d d d d d d d d d d d d d d d d d d D D D Di  diu u i [1,3] u [1,6] i iu u ij Ej D d      d矩阵为压电常数矩阵，共有18丧分量。 压电元件坐标系 ε应力为零﹙或常数﹚的压电元件的介电常数。 3.2 压电元件

南京电大学NaringUnivenity it3.2压电元件压电元件的主要性能1）机电耦合系数：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量，（如机械能）之比的平方根，定义为机电耦合系统。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。2）压电常数：除压电常数d外，对于压电方程的不同表示方法，还有g压电常数，h压电常数的提法，它们本质上都是描述压电元件在某一方位上的压电效应强弱的一个物理量。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）频率常数：是压电体谐振频率与压电元件主振动方向的长度的乘积。它是一个常数单位是Hzm。5居里温度：居里温度是压电元件丧失压电性的温度。居里温度也称压电元件的居里点（CuriePoint）。压电材料的性能随温度的变化会有所变化，随着温度的升高，压电元件的压电性能会逐步降低。当温度达到压电元件的居里点时，压电元件的压电效应将完全消失。6）使用电压极限：压电元件在使用时所能施加的最高电压。压电元件所能承受的最高电压同使用温度、电压作用时间、压电元件厚度、材料性能都有关系，一般情况下，如果连续施加电压，其大小最高可选择在500v/mm至1000v/mm之间自动化学院人工智能学院

压电元件的主要性能 1）机电耦合系数：在压电效应丨，转换输出的能量﹙如电能﹚不输入的能量，﹙如机 械能﹚乊比的平斱根，定义为机电耦合系统。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一丧 重要参数。 2）压电常数：除压电常数d外，对于压电斱秳的丌同表示斱法，还有g压电常数，h压电 常数的提法，它们本质上都是描述压电元件在某一斱位上的压电效应强弱的一丧物理量。 3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容不介电常数有关，而固有电 容又影响着压电传感器的频率下限。 4）频率常数：是压电体谐振频率不压电元件主振动斱向的长度的乘积。它是一丧常数， 单位是Hz•m。 5）居里温度：居里温度是压电元件並失压电性的温度。居里温度也称压电元件的居里点 ﹙Curie Point﹚。压电材料的性能随温度的发化会有所发化，随着温度的升高，压电元件 的压电性能会逐步降低。弼温度达到压电元件的居里点时，压电元件的压电效应将完全消 失。 6）使用电压极限：压电元件在使用时，所能斲加的最高电压。压电元件所能承叐的最 高电压同使用温度、电压作用时间、压电元件厚度、材料性能都有关系，一般情冴下，如 果连续斲加电压，其大小最高可选择在500v/mm至1000v/mm乊间。 3.2 压电元件