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前言
压电电机广泛用于各行各业。比如,压电超声用于检测人体内部组织,高精度压电电机用于手机相机调焦,压电传感器用于检测水流速,压电制动器用于喷墨打印机墨水的喷洒,逆压电原理用于收集机械能等等。
那么,什么是压电效应?常见的压电电机有哪3种类型?压电技术如何应用于镜头调焦,人体探测,机械能收集?
压电效应及压电材料
通俗来说,压电就是压一下就有电。
当然,正如光路可逆一样,压电也可逆。
也就是说,通电时它就压缩(或者伸长),而压缩可以产生运动,于是有了压电驱动。
其实,压电效应最先在石英(二氧化硅)上发现。
1880年,雅克(Jacques)和皮埃尔·居里(Pierre Curie)发现,压力会在许多晶体中产生电荷,例如石英和电气石。
压电的发现及压电晶体结构
他们称这种现象叫“压电效应”。
随后,他们又发现电场可以使压电材料变形,他们称这为“逆压电效应”。
压电效应:
- 图a材料受拉力,在两端产生负电压,
- 图b材料受压力,在两端产生正电压。
逆压电效应:
- 图c材料两端接通电压,材料产生拉伸形变,
- 图d压电材料两端被夹住,接通电压时,会产生一个向外的推力。
直观感受一下,压电就是这样的:压缩就产生电压。
压缩就产生电压
压电直观解释:压缩时,在材料两端产生电压。
材料两端产生电压
压电现象直观解释: 压缩或者拉伸在压电材料中均产生电压,拉伸时产生负电压,压缩时产生正电压。
压缩时产生正电压
但是,在接下来的几十年中,压电研究仍停留在实验室中。
直到第一次世界大战的爆发,压电材料才第一次应用于声纳设备。声纳中压电技术的首次使用,引起了压电设备在国际上的强烈关注。
虽然石英是第一种商用压电材料,但科学家们一直在寻找性能更高的压电材料,结果在第二次世界大战期间,美国,俄罗斯和日本的研究小组,发现了一种新型的人造材料,称为铁电材料,其压电常数比天然压电材料高出许多倍,于是钛酸钡和锆钛酸铅(PZT)压电材料诞生了。
压电陶瓷及其极化的含义:
通常,陶瓷是由微晶体组成的,而每个晶体是由带正电荷或负电荷的原子构成的,大多数陶瓷带有的正负电荷是平衡的。但是,在自然状态下,有一种介电陶瓷(称为铁电陶瓷)在晶体中带有不平衡的正负电荷,会造成偏电荷,也就是发生自发极化。如顶部图,焙烧后,铁电陶瓷会立即发生自发极化,并产生随机极轴(也称为偶极,此概念我们下一节解释),整体来看,陶瓷似乎有了平衡的正负电荷。但是,随着高直流电压的施加,自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐,即使去掉电压,极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程称为极化。如果将极化应用于铁电陶瓷,就会生成压电陶瓷。
压电材料PZT的极化过程,总体意思和上图一样
当给压电陶瓷施加交流电时,陶瓷内的正负电荷中心会相互吸引或排斥,就会造成陶瓷的膨胀或缩小。
给压电陶瓷施加交流电
机械压应力或拉应力使石英原子结构中电荷移动,形成电偶极子,导致在石英的顶部和底部之间产生电压。
石英的顶部和底部之间产生电压
一些天然的压电材料包括柏林铁矿,蔗糖,石英,罗谢尔盐,黄玉,电气石和骨头(由于磷灰石晶体,干骨表现出某些压电特性,通常压电效应作为生物力传感器)。
人造压电材料的例子,包括刚刚提到的钛酸钡和锆钛酸铅(PZT)。
几种PZT压电材料的属性,来自Piezo
压电材料属性来自PI
几种压电材料的属性
天然单晶材料,例如石英和托玛琳的压电效应相对较小。多晶铁电陶瓷,例如钛酸钡和锆钛酸铅表现出更大的电压效应。
而且PZT有许多改进形式,例如含Ni,Bi,Sb,Nb离子的PZT陶瓷,在制造时还可以专门优化压电和介电参数,所以广泛用于压电执行器或传感器中。
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