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压电效应

在对压电材料施加压力时，材料会出现电极化并在两侧呈现一个电场，这一现象被称为压电效应，材料拉伸一侧会呈现正电压，压缩一侧呈现负电压。

反过来，在对压电材料施加电压时，其会出现形变，这一现象被称为逆压电效应。

电场强度与压力和形变间的关系如下：

\[ E = \frac{gX}{L} \]
  • \(E\)：电场强度（\(V\)）
  • \(g\)：压电电压常数（\(V \cdot m/N\)）
  • \(X\)：压力（\(N\)）
  • \(L\)：形变长度（\(m\)）
\[ S = dE \]
  • \(S\)：形变量（\(m\)）
  • \(E\)：电场强度（\(V\)）
  • \(d\)：压电应变常数（\(m/V\)）
    • 有时其单位为 \(C/N\)，这两种单位对应的数值理论上相同，但实际上 \(C/N\) 通过压电效应测得，\(m/V\) 通过逆压电效应测得，两种方式测得的值可能会有相当大差别，因此最好区分使用。

通常文档中提供的 \(g\) 和 \(d\) 都带有下标（将其记为 \(ij\)），其意义为：

  • \(i\)：电场极化方向，
    • 范围：1~3
      • 分别表示三维坐标的 \(X, Y, Z\) 方向
  • \(j\)：应力方向
    • 范围：1~6
      • 1~3：按顺序代表三维坐标的 \(XX\)，\(YY\)，\(ZZ\) 方向，被称为正应力（Normal stress），受力方向与施力方向垂直；
      • 4~6：按顺序代表三维坐标的 \(YZ\)，\(XZ\)，\(XY\) 方向，被称为剪应力（Shear stress），受力方向与施力方向平行

一般使用上只关心 \(d_{33}\) 和 \(g_{33}\)，即电场极化方向与施力方向相同。

常见材料

以下为几种常见的压电材料：

  • 石英晶体，通常用在振荡电路中
  • 锆钛酸铅（PZT）陶瓷，使用量高，但含铅
  • 聚偏二氟乙烯（PVDF），常用作柔性压电薄膜，价格相对 PZT 较高

应用场景

  • 麦克风/扬声器
  • 振动传感器
  • 高压生成（打火机）
  • 压力传感器（容易漂移，因此不常见）
  • 免维护风扇

注意

  • 压电材料本身没有提供电流的能力（阻抗近似正无穷），作为传感器使用时需先接入放大器

参考