壓電效應(yīng)起電原理是什么_壓電效應(yīng)的應(yīng)用介紹

　　壓電效應(yīng)簡介

　　壓電體受到外機(jī)械力作用而發(fā)生電極化，并導(dǎo)致壓電體兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外機(jī)械力成正比，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 壓電體受到外電場作用而發(fā)生形變，其形變量與外電場強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 具有正壓電效應(yīng)的固體，也必定具有逆壓電效應(yīng)，反之亦然。 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)總稱為壓電效應(yīng)。晶體是否具有壓電效應(yīng)，是由晶體結(jié)構(gòu)的對稱性所決定的。

　　某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。

　　壓電效應(yīng)分類

　　1.正壓電

　　是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

　　2.逆壓電

　　是指對晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。

　　依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。

　　壓電效應(yīng)起電原理

　　壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號（機(jī)械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。

　　壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

　　壓電效應(yīng)的應(yīng)用

　　壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動器應(yīng)用。

　　1、換能器

　　換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)械振動的器件

　　壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計(jì)則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。目前對壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點(diǎn)，研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發(fā)射系統(tǒng)等。

　　壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級相同等特點(diǎn)，最后一個(gè)特點(diǎn)使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。

　　壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。

　　2、壓電驅(qū)動器

　　壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動，聚合物驅(qū)動器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。

　　3、傳感器上的應(yīng)用

　　（1）壓電式壓力傳感器

　　壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時(shí)要特別注意，避免漏電。

　　壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時(shí)，自我恢復(fù)較慢。

　　（2）壓電式加速度傳感器

　　壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個(gè)表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

　　測量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動力作用時(shí)，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。