频率响应
与压电陶瓷传感器不同,压电膜传感器具有很宽的动态范围,并是宽带的。这种宽带特性(接近DC到2GHz)和低Q值部分地归因于聚酯材料的柔性。用做传声器时,将弯曲的压电膜器件两端固定,按长度(d31)模式振动,如图10所示。压电膜是一种保真度极高的高音喇叭,也可应用在玩具、充气物品和游戏具中做新颖扬声器。d31模式(图10),也可以用在空气中的超声测距,频率可达约50kHz。
当用作高频超声发送器(一般>500KHz)时,压电膜通常是按厚度(d33)模式工作。最大传送量发生在厚度谐振时。28µm的压电膜基本半波长谐振频率约为40MHz:
从以上可以看出,谐振值的大小决定于膜厚,其范围为:对厚膜为几MHz(1000µm)到对非常薄的膜大于100MHz以上。
图11给出了在室温条件下频率对介电常数和耗散因数的影响。当介电常数ε 非常低时(压电陶瓷的1%),压电膜的g常数(电压输出系数)要比压电陶瓷的大得多(g = d/ε)。
压电膜在低频时的特性
引言
压电膜在低频时的特性应直接以电气术语来表述,但常常造成曲解|. 由于这一技术的任何实际应用都几乎涉及这个问题,本文想用一定的篇幅分析这个题目,并尽可能地以非数学型式处理,采用语言描述和实例表达概念,假设有些读者精通用FFT技术来变换时间域和频率域,但并不重要。
连接
通常,对压电膜的初步评价,是将一个压电器件用一个探头(示波器探头)连接到示波器上。一般来说,示波器探头可以视作“无穷大阻抗”,由于非常大,在测试中对电路的影响可以忽略不计。但在很多情况下,对压电膜并非如此,示波器探头的接入几乎是短路,典型的探头,当其接入示波器时,则有1MΩ的有效电阻,也有的是10MΩ,而也有不少为了方便起见可在1MΩ(x1)和10MΩ(x10)之间转换,包括1MΩ阻抗的物理要素通常是示波器内的输入级,而不是指探头内的单独元件。一个“X1”探头实际上就是一段两端有相应触点的屏蔽电缆。
源电容
为分析接上探头之后将产生什么情况,我们需要考虑压电膜器件的特性。也许最为重要的特性(当然是在压电特性之后)就是材料的电容。电容是任何一种元件的储存电荷能力的量度,并且总是在两块导电板相互靠近时存在。本文中所指的导电板就是压电膜每一面上所印刷或金属化出来的导电极,该器件的电容主要受电极之间分离电极的绝缘体特性的影晌,绝缘体储存电荷能力的度量由它的介电常数表述。
与大部分聚合物材料相比,PVDF的介电常数很高,大约为12(相对于自由空间介电常数)。
显然,一个元件的电容量是随其导体面积的加大而增加,所以,一大片压电膜的电容要大于小元件的电容。同时,电容量也随厚度的减少而增大。因此,相同的几何面积,薄压电膜的电容量要比厚膜的大。
上述关系可以写为:C= A/t
式中:
c~压电膜的电容量
ε~介电常数(也可以表示为ε=εrεσ,
εr~相对介电常数(对PVDF约为12), εσ~自由空间的介电常数
(8. 854×10-12F/m)
A ~压电膜电极的有效面积(重叠部分)
t ~ 膜厚
电容的单位为法拉(F),但通常碰到的是小得多的单位;微法(uF或10-6F),毫微法(nF或10-9F;皮法(pF或10-12F)。
任何压电膜元件的电容都可以用公式来计算,也可以用手持 电容表或仪表(如LCR桥)直接测量。
电容值应当是在给定的测量频率上(通
常定为1kHz)测得的,压电膜元件的
电容值一般随测量频率的提高而下降。
|