壓電效應及其原理
壓電效應的原理是,如果對壓電材料施加壓力,它便會(huì )產(chǎn)生電位差(稱(chēng)之為正壓電效應),反之施加電壓,則產(chǎn)生機械應力(稱(chēng)為逆壓電效應)。也就是說(shuō),壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能,這種相互對應的關(guān)系非常有意思。
正壓電效應
當壓電材料受到某個(gè)固定方向外力的作用時(shí),內部就產(chǎn)生電極化現象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當外力撤去后,材料又恢復到不帶電的狀態(tài);當外力作用方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變;材料受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現象稱(chēng)為正壓電效應。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。
逆壓電效應
當對壓電材料施加電場(chǎng)時(shí),材料的某些方向會(huì )出現機械形變的現象,并且其形變量與外電場(chǎng)強度成正比,這種現象稱(chēng)為逆壓電效應。用逆壓電效應制造的設備可用于超聲工程和微運動(dòng)領(lǐng)域。
壓電材料外部施加力F的產(chǎn)出計算
外部施加力下壓電材料產(chǎn)生的電荷Q或者電壓V就是正壓電效應的應用。通用常數比例變化(如壓電常數d33和Cd大小的變化)施加全部外部作用下,壓電陶瓷會(huì )對應產(chǎn)生電荷量Q。
Q=Cd×V=F×d33
此時(shí)輸出電壓V可由壓電材料元件的壓電常數g33、厚度t、截面積A的關(guān)系表達出來(lái),具體見(jiàn)下公式:
V=F×d33/Cd=F×g33×t/A
舉例:壓電陶瓷截面積A=10×10mm2,厚度t=1mm,g33=26.5×10-3vm/N。當力F=10N時(shí),得到輸出電壓V=2.65V。
壓電材料外部施加電壓V的產(chǎn)出計算
外部施加電壓壓電材料產(chǎn)生形變就是逆壓電效應的應用。在應用實(shí)例中,壓電材料可以在直流或低頻交流電下運行。此時(shí),無(wú)負荷的電位移U和施加電壓V有下列關(guān)系:
U=V×d33
V:施加電壓
d33:壓電常數
舉例:壓電陶瓷d33=635×10-12 m/V,施加電壓150V,位移U=95.25nm
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