|
機電變換
像海綿可以擠出水一樣，當壓電材料受壓時產生電荷，其信號幅度和頻率直接與壓電材料的機械變形成正比。變形使材料表面電荷密度發生變化，于是就在加了電極的表面之間產生出電壓。當所加的力反向時，輸出電壓的極性也同時反相。一個往復力會得到交變的輸出電壓。
壓電薄膜，也像所有的壓電材料一樣，是一種動態材料，所產生的電荷與所加機械應力的變化成正比。由于材料的內部阻抗，不適用于靜態測量（純直流）。壓電膜所產生的電荷的衰減時間常數，取決于膜本身的介電常數、內阻，以及壓電膜所接接口電路的輸入內阻。實際上，壓電膜最低可測頻率可達到0.001Hz。有許多方法可實現純直流響應，但要求壓電膜既用作執行器，又作為傳感器，監控著直流過程所產生的執行結果的變化。
對電荷或電壓，固有的壓電常數預告了對小應力(或應變)，壓電共聚物所能產生的電荷密度（單位面積的電荷）或電壓場（單位厚度的電壓）。
電荷模式：
在近于短路的情況下，所產生的電荷密度可用下式表示：
D = Q/A = d3nXn (n = 1, 2或3)
所加應力(或應變)的機械軸（n），通常為：
1 = 長度（或拉伸）方向
2 = 寬度（或橫向）方向
3 = 厚度方向
式中：
D = 所產生的電荷密度
Q = 所產生的電荷
A = 導電極面積
D3n = 與所加應力或應變軸所對應的壓電系數
n = 所加應力或應變軸
Xn = 相關方向上所加的應力
必須指出，d3n系數一般表示為每牛頓皮庫侖（pC/N），但由于受力面積（m²）往往并不相同，而又不能“相消”，所以較確切的表達式應該是 (pC/m²)/(N/m²)。
電壓模式:
開路輸出電壓，可用下式表示：
Vo = g3nXnt (n = 1, 2或3，與上述相同)
式中：
g = 與所加應力或應變軸相應的壓電系數
Xn= 相關方向上所加應力
t = 壓電膜厚度
壓電常數：
應用最廣泛的壓電常數d3n 和g3n ，即電荷
和電壓，分別具有二個下角標。前者指電軸，
后者指機械軸。由于壓電膜很薄，所以電極只
能在上、下表面。由于電荷或者電壓總是通過
膜的厚度（n=3）來傳輸,因此，電軸便總是“3” 。
如圖28所示，機械應力可以加在任何軸向，
所以，機械軸可以是1、2，或3。
通常，將壓電膜的機械軸向1用于低頻傳感和驅動（<100kHz），而機械軸向3則用于高頻超聲傳感和驅動（>100KHz）。
方向特性：
壓電材料是各向異性的，也就是電和機械響應不同并取決于所加電場軸向或所加應力或應變軸向。在有關壓電效應的計算中，必須要考慮到這種方向特性。
例一：
在一長2.54cm，寬2.54cm和厚度為110µm的壓電薄膜開關上，施加一個1.45磅/平方英寸(10,000N/m²)的負荷。該開關元件背后有剛性支撐。故力是作用在厚度方向上（即：g33模式）。本例中，負荷是作用在壓電薄膜的長成寬的面積上。厚度方向所產生的開路電壓為：
式中：
V/m = 壓電膜厚度每米的電壓輸出
N/m²= 膜相關面積上施加的應力，由磅/英寸²變換為N/m²約為7,000。
例二：
與例一中相同的壓電膜開關元件，但所受的力為（10,000N/m²×0.0254m²=6.45牛頓），而結構形式為柔性支撐的膜。力是作用在厚度橫截面上（wt）。壓電膜在負荷作用下被拉伸，故其為g³¹模式。
由于力加在小得多的橫截面上，因而導致輸出電壓的急劇增大。小面積產生較高應力。
動態范圍
壓電膜有很大的動態范圍，它已被用來感測空間一個質量為10¯12克的高速物體的沖擊；而在其他極端條件下，它也可以測量在武器試驗過程中所產生的300,000大氣壓力的沖擊波。最近進行的一項研究得出了一個面積為155.5mm×18.5mm，厚度為52µm的厚膜的最大輸出能量。該膜受力約為350MPa（在拉伸方向，或者“n=1”方向上）而未失效。所產生的電荷線性很好，下面是最大應力條件下的測量結果：
最大測得電荷：20µC，即6.95 mC/m2
最大測得電壓：1600 V，即30.8×106 V/m
最大變換能量：30.9 mJ，即207 kJ/m3
稍后的試驗表明壓電膜器件可以長時間承受上述能量的10%左右，而不會出現可測得的損壞。
|
