专业解析压电陶瓷原理
导语：众所周知，压电陶瓷属于一种具备压电性、介电性、弹性等优良特性的电子陶瓷材料。压电陶瓷在机械效应下，会发生一些压电效应，这种反应十分具有灵敏性，充分利用之便可广泛应用于医学领域和声学领域。其实据小编了解，压电陶瓷除了作用于这些高科技领域之外，与我们日常生活也是密不可分的。那么，压电陶瓷的原理究竟是什么，让我们一起来看看吧。
压电性质的宏观解释
我们知道构成陶瓷分子的晶相是晶粒，这种晶粒是具有铁电性的，因为陶瓷内部的晶粒的取向具有随机性，所以内部的各个铁电性晶粒的自发极化矢量也是没有规律可循的，也就是呈混乱取向。因而为了使陶瓷表现出我们想要得到的压电特性，可以对其进行强直流电场下的极化处理。经过处理之后，混乱的取向自然而然会变成最优化的取向。在电场撤离之后，陶瓷不会完全恢复原状态，而是会剩余一部分极化强度，因此具备了压电性。
压电陶瓷的原理
正压电效应物理机制
上述的极化处理显然是使陶瓷具备压电性至关重要的一步，这一步的物理机制可以用电荷来解释。极化后的陶瓷片会有束缚电荷出现在两端，外界的自由电荷会被吸附到电极表面上，这是一个充电的过程。这时，当有外力压向陶瓷片时，两端就会向外界放电反之，当有外力反向作用时，两端将会进行充电。这个过程实现了机械效应向电效应的转换，因而该现象又叫做正压电效应。
逆压电效应物理机制
除上面提到的极化方法之外，压电陶瓷也具备了自发极化的功能。这种极化会在外电场下发生变化，进而使得压电陶瓷变形。与自发极化方向相同的外电场叫正向电场，它会增强压电陶瓷的极化强度，使片体沿着极化方向伸长，反之如果加上了反向电场，相对应极化强度会减弱陶瓷将会沿着极化方向进行缩短。这个过程刚刚好是上述过程的逆过程，它实现了电效应向机械效应的转换，故此现象是逆压电效应。
压电陶瓷的出现，使得一些传统材料望其项背，达不到其优秀的物理特性和广泛的应用前景。压电陶瓷虽是一种新型材料，却因其简单的原理使其合成方便，具有亲民性。相信未来的压电陶瓷能克服种种障碍，为人类的生活提供更好的服务。
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的资讯功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声感测器、声换能器、超声马达等。
压电陶瓷原理
极化后的陶瓷片会有束缚电荷出现在两端，外界的自由电荷会被吸附到电极表面上，这是一个充电的过程。这时，当有外力压向陶瓷片时，两端就会向外界放电反之，当有外力反向作用时，两端将会进行充电。这个过程实现了机械效应向电效应的转换，因而该现象又叫做正压电效应。
压电陶瓷材料
无机压电材料：分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。
具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。
压电陶瓷的参数
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的资讯功能陶瓷材料-压电效应,压电陶瓷除具有压电性外,还具有介电性、弹性等,已被广泛应用于医学成像、声感测器、声换能器、超声马达等。
压电陶瓷的极化
压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成，每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子(离子)都是有规则(周期性)的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元—晶胞组成。晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的。为了使压电陶瓷处于能量(静电能与弹性能)最低状态，
晶粒中就会出现若干小区域，每个小区域内晶胞自发极化有相同的方向，但邻近区域之间的自发极化方向则不同。自发极化方向一致的区域称为电畴，整块陶瓷包括许多电畴。
，外电路还有迟滞和蠕变现象。而驱动电源一般可分为电荷控制型和电压控制型。电荷控制型驱动电源基于电容器充电的原理（对外加电压而言，每个压电陶瓷片相当于一只平行板电容器），可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变。电压控制型驱动电源主要有以下两种形式：一种是基于DC/DC变换器原理的开关式驱动电源，其体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄；另一种是直流放大电源，频响范围宽。
下面我发一份关于压电陶瓷驱动电源的文章，供你参考！
近年来国内对静态压电陶瓷驱动电源的研制取得了一定的进展，但大部分压电陶瓷驱动电源都是由分立性器件组成，结构较复杂，而且容易产生自激振荡，对电源的稳定性会产生影响。而采用高压运放的驱动电源，分辨率能达到mV级，输出纹波较小，不仅提高了电路集成度，而且可靠性也得到加强，因此可用于驱动压电陶瓷致动器。
压电陶瓷致动器驱动电源
1、压电陶瓷致动器对驱动电源的要求
压电陶瓷致动器的驱动电源应具有如下特点：
（1）压电陶瓷致动器的位移输出对外加驱动控制电压的响应速度，主要取决于驱动电源驱动电流的大小，因此驱动电源应具有较大的驱动电流，一般不应小于150mA；
（2）驱动电源的输出控制电压连续可调，对国产压电陶瓷致动器PTBS200系列而言，要求驱动电源输出电压为直流0～200V，连续可调；
（3）为适应高频响应的要求，驱动电源中应具有供容性负载快速放电的回路；
（4）由于压电陶瓷致动器主要应用于微纳米技术领域，所以驱动电源应具有良好的稳定性，其输出纹波电压应控制在很小的范围内；
（5）为实现位移的自动控制，驱动电源最好采用计算机控制。
压电陶瓷致动器外电路是一个容性负载，并有迟滞和蠕变现象。而驱动电源一般可分为电荷控制型和电压控制型。电荷控制型驱动电源基于电容器充电的原理（对外加电压而言，每个压电陶瓷片相当于一只平行板电容器），可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变。电压控制型驱动电源主要有以下两种形式：一种是基于DC/DC变换器原理的开关式驱动电源，其体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄；另一种是直流放大电源，频响范围宽，从发展趋势来看，其应用前景广阔。
2、驱动电源的设计
根据压电陶瓷致动器对其驱动电源的要求，本设计中的电源采用直流放大式电路。整个电源电路主要由计算机与数据采集卡、运算放大电路和高压电路等几部分组成。高压电路提供220V的直流电压，计算机通过LabView8.5控制数据采集卡产生一定的输出波形，得到0～5V的连续可调控制电压；放大电路实现电压的线性放大和功率放大，输出0～200V连续可调的直流电压，并决定着电源输出电压的分辨率和稳定性，是整个电源的关键。
① 高压电路
由于直流电压的稳定性直接影响驱动电源的稳定性，采用220V输出电压的高压电路，主要部分是将市电交流220V变为+220V直流电压的全桥整流供电电路。
② 波形发生电路
良好的输入波形是电源的关键之一，关系到压电陶瓷的伸缩变化。输入波形信号的频率、幅值可变，信号波形好，畸变小，不仅可以消除压电陶瓷本身的迟滞特性和蠕变特性，也能获得更广泛的应用。由于电压精度要求比较高，使用NI公司的具有16位模拟输入输出的多功能数据采集卡6221将数字量转换成模拟量，输出电压为0～5V，电压分辨率达到5/216，约等于0.076mV。采用LabView 8.5编程可以实现任意波形及缓变直流等输出，灵活性强，能满足各种需要。
③高压放大电路
采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA96和高精度运算放大器OP07串联组成串联负反馈放大电路。PA96是一种高压，大带宽的MOSFET运算放大器，输出电流达到1.5A，输出电压接近300V，安全操作区（SOA）没有二次击穿的限制，通过选择合适的限流电阻，可观察到任何负载下的安全操作曲线。PA96的最大失调电压为5mV，对要求分辨率为10mV以下的压电陶瓷驱动电源，其输入特性不能满足要求。在该电源的线性放大部分采用了PA96和OP07串联的复合放大器，从而使输入失调电压由前置放大器OP07控制。由于复合放大器的输入电压为0～5V，输出电压要求为0～200V，因此复合放大器的放大倍数要求为40。但增益过大会影响运放稳定性，因此选定PA96的闭环放大倍数为31，PA96和OP07串联后共同提供的放大倍数为40。根据放大倍数的分配要求可得：
R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ
由于构成负反馈电路，输出电阻非常小（mΩ级），因此具有很强的带负载能力。R5为限流电阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，这里为5.4Ω。
3、相位补偿与输出保护
自激现象是影响电源稳定性的一个主要因素。当集成运放的开环增益为一定值时，由于相移过大，电路会产生振荡现象，因此应对集成运放进行相位补偿。通常在输入端和输出端外接补偿元件，进行相位补偿。相位补偿不仅能提高运放的稳定性，还能扩展带宽。电路中PA96一级的闭环放大倍数为31，由此计算出其增益为30，根据PA96的数据资料，确定相位补偿电容值CC=10pF，闭环带宽大约为1MHz。OP07输入端的二极管D1、D2提供差模和共模保护，防止瞬态过压，输出二极管D3、D4可对瞬态过压进行保护，防止瞬态过压损坏OP07的输出。PA96放大器输入端的二极管D5、D6、D7、D8把放大器正负输入端的电压钳位在规定范围内，对运放起保护作用。
当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。
另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。
极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。
压电陶瓷在直流电压下发生电致伸缩时不会有电流流过，而在交变电场（电压）作用下发生电致伸缩时只会有很微小的电流流过它的正负极间，因为压电陶瓷的输入电阻极高，完全就是个绝缘体，但是它的两极之间镀有导电层，因此存在一个容量不大的平板电容，如果外加电压是交变的，会有很微小的交流电流通过这个电容流过。
