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    壓電效應及其原理

    時間:2021-2-1 閱讀:4873
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    壓電效應的原理是,如果對壓電材料施加壓力,它便會產生電位差(稱之為正壓電效應),反之施加電壓,則產生機械應力(稱為逆壓電效應)。也就是說,壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能,這種相互對應的關系非常有意思。

    正壓電效應

    當壓電材料受到某個固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷;當外力撤去后,材料又恢復到不帶電的狀態;當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變;材料受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種現象稱為正壓電效應。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時,材料的某些方向會出現機械形變的現象,并且其形變量與外電場強度成正比,這種現象稱為逆壓電效應。用逆壓電效應制造的設備可用于超聲工程和微運動領域。 

     

    壓電材料外部施加力F的產出計算

    外部施加力下壓電材料產生的電荷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d33Cd大小的變化)施加全部外部作用下,壓電陶瓷會對應產生電荷量Q。

    Q=Cd×V=F×d33

    此時輸出電壓V可由壓電材料元件的壓電常數g33、厚度t、截面積A的關系表達出來,具體見下公式:

    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,得到輸出電壓V=2.65V。

     

    壓電材料外部施加電壓V的產出計算

    外部施加電壓壓電材料產生形變就是逆壓電效應的應用。在應用實例中,壓電材料可以在直流或低頻交流電下運行。此時,無負荷的電位移U和施加電壓V有下列關系:

    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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