|
壓電基礎(chǔ)
機(jī)電變換
像海綿可以擠出水一樣，當(dāng)壓電材料受壓時(shí)產(chǎn)生電荷，其信號(hào)幅度和頻率直接與壓電材料的機(jī)械變形成正比。變形使材料表面電荷密度發(fā)生變化，于是就在加了電極的表面之間產(chǎn)生出電壓。當(dāng)所加的力反向時(shí)，輸出電壓的極性也同時(shí)反相。一個(gè)往復(fù)力會(huì)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(dòng)態(tài)材料，所產(chǎn)生的電荷與所加機(jī)械應(yīng)力的變化成正比。由于材料的內(nèi)部阻抗，不適用于靜態(tài)測(cè)量（純直流）。壓電膜所產(chǎn)生的電荷的衰減時(shí)間常數(shù)，取決于膜本身的介電常數(shù)、內(nèi)阻，以及壓電膜所接接口電路的輸入內(nèi)阻。實(shí)際上，壓電膜最低可測(cè)頻率可達(dá)到0.001Hz。有許多方法可實(shí)現(xiàn)純直流響應(yīng)，但要求壓電膜既用作執(zhí)行器，又作為傳感器，監(jiān)控著直流過(guò)程所產(chǎn)生的執(zhí)行結(jié)果的變化。
對(duì)電荷或電壓，固有的壓電常數(shù)預(yù)告了對(duì)小應(yīng)力(或應(yīng)變)，壓電共聚物所能產(chǎn)生的電荷密度（單位面積的電荷）或電壓場(chǎng)（單位厚度的電壓）。
電荷模式：
在近于短路的情況下，所產(chǎn)生的電荷密度可用下式表示：
D = Q/A = d3nXn (n = 1, 2或3)
所加應(yīng)力(或應(yīng)變)的機(jī)械軸（n），通常為：
1 = 長(zhǎng)度（或拉伸）方向
2 = 寬度（或橫向）方向
3 = 厚度方向
式中：
D = 所產(chǎn)生的電荷密度
Q = 所產(chǎn)生的電荷
A = 導(dǎo)電極面積
D3n = 與所加應(yīng)力或應(yīng)變軸所對(duì)應(yīng)的壓電系數(shù)
n = 所加應(yīng)力或應(yīng)變軸
Xn = 相關(guān)方向上所加的應(yīng)力
必須指出，d3n系數(shù)一般表示為每牛頓皮庫(kù)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(dá)式應(yīng)該是 (pC/m²)/(N/m²)。
電壓模式:
開(kāi)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(yīng)力或應(yīng)變軸相應(yīng)的壓電系數(shù)
Xn= 相關(guān)方向上所加應(yīng)力
t = 壓電膜厚度
壓電常數(shù)：
應(yīng)用最廣泛的壓電常數(shù)d3n 和g3n ，即電荷
和電壓，分別具有二個(gè)下角標(biāo)。前者指電軸，
后者指機(jī)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(guò)
膜的厚度（n=3）來(lái)傳輸,因此，電軸便總是“3” 。
如圖28所示，機(jī)械應(yīng)力可以加在任何軸向，
所以，機(jī)械軸可以是1、2，或3。
通常，將壓電膜的機(jī)械軸向1用于低頻傳感和驅(qū)動(dòng)（<100kHz），而機(jī)械軸向3則用于高頻超聲傳感和驅(qū)動(dòng)（>100KHz）。
方向特性：
壓電材料是各向異性的，也就是電和機(jī)械響應(yīng)不同并取決于所加電場(chǎng)軸向或所加應(yīng)力或應(yīng)變軸向。在有關(guān)壓電效應(yīng)的計(jì)算中，必須要考慮到這種方向特性。
例一：
在一長(zhǎng)2.54cm，寬2.54cm和厚度為110µm的壓電薄膜開(kāi)關(guān)上，施加一個(gè)1.45磅/平方英寸(10,000N/m²)的負(fù)荷。該開(kāi)關(guān)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(fù)荷是作用在壓電薄膜的長(zhǎng)成寬的面積上。厚度方向所產(chǎn)生的開(kāi)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(guān)面積上施加的應(yīng)力，由磅/英寸²變換為N/m²約為7,000。
|
