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盤卷式執(zhí)行器

將圖31中所示的柱形盤卷式雙壓電膜片所產(chǎn)生的力和
位移量表達(dá)如下：
   
    x = d31El    米    
               
    E = V/t    V/m

    F = Yd31EA    牛頓
式中：
x = 直流時的位移量（米）
F = 所產(chǎn)生的力（牛頓）
f = 諧振頻率
l, t = 壓電膜片的長度和厚度（米）
Me = 外加負(fù)載的質(zhì)量（kg）
Mp = 壓電執(zhí)行器的質(zhì)量（kg）
A = 橫截面積（m）
Y = Young氏模量（N/m²）
E = 電場（V/m²）

如上式所示，一個盤卷式的壓電膜執(zhí)行器，隨
著橫截面積的增加，可以產(chǎn)生出更大的力和與
更高的諧振頻率響應(yīng)。加長執(zhí)行器，則產(chǎn)生更
大的位移量，但降低了響應(yīng)速度。應(yīng)當(dāng)指出，
當(dāng)Me=0時，若將長度l調(diào)節(jié)到滿足諧振條件，
則執(zhí)行器輸出可達(dá)到最大。例如，一個直徑為
12mm，長度為25mm的盤卷式壓電膜執(zhí)行器，
在32KHz的頻率上將達(dá)到最大輸出。

折疊式執(zhí)行器

另一種提高速度和增加力的設(shè)計(jì)方案就是
圖32所示的長條壓電薄膜折疊式執(zhí)行器。這種
方案有效地增大了壓電膜片的并聯(lián)疊層。中心孔用于在底座上固定執(zhí)行器。可將盤卷式執(zhí)行器的設(shè)計(jì)公式用于此類執(zhí)行器的計(jì)算。只是將式中的d31改成d33(~33×10¯12C/m²)即可。下面是一個折疊式壓電膜執(zhí)行器實(shí)例的技術(shù)規(guī)范：

位移量：1µm / 1mm長
產(chǎn)生的力：15kg / 10mm直徑
頻率：dc-100 kHz
驅(qū)動電壓：800V

與機(jī)械式或者壓電陶瓷執(zhí)行器相比較，多層壓電膜執(zhí)行器，因其Q值低，所以較少存在減幅振蕩問題。多層執(zhí)行器一般應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的微動臺、聲波發(fā)生器和噴墨打印機(jī)等。

超聲執(zhí)行器

超聲執(zhí)行器，如下所述，不適用于甚高頻（＞1MHz）的發(fā)射器應(yīng)用。在甚高頻方面的應(yīng)用，主要為醫(yī)用超聲成像及無損探傷，使用的是厚度模式d33。本節(jié)所討論的是低頻（20~100kHz）應(yīng)用，壓電膜工作在長度變化模d31式。

壓電膜在低頻超聲方面應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)
在于這種材料的柔性。它可以很容易地
卷曲成為園形振子（見圖33）。波束圖
形取決于半園單元的數(shù)目和直徑。工作
頻率則由半園單元的直徑?jīng)Q定。應(yīng)當(dāng)指
出，圖33(a)和圖33(b)之間的區(qū)別在于
有效單元的數(shù)目和直徑的不同。要想展
寬波束的覆蓋面，就應(yīng)減少有效單元的
數(shù)目。一個園柱形的振子，可以獲得360°
的波束圖形。

在超聲應(yīng)用方面，對于遠(yuǎn)距離測量，
則要求具有最少旁瓣的銳波束。但對于諸
如汽車尾部防撞探測等方面的應(yīng)用而言
，則需要達(dá)到180°以上的寬波束。圖33
所示為寬、窄二種波束的超聲振子的設(shè)計(jì)外形。

壓電膜在透過空氣作超聲波執(zhí)行器應(yīng)用方面，包括車輛倒車安全測距，人身安全系統(tǒng)，空氣流速（多普勒）探測，和物體內(nèi)部通訊等。類似的結(jié)構(gòu)形式還可以應(yīng)用于水下、液體探測，包括流量、液位傳感器以及通訊等。
熱電基礎(chǔ)

壓電聚合材料，如PVDF和其VF2/VF3共聚體，同時也是熱電聚合材料。熱電傳感材料通常都是具有隨溫度變化的偶極矩的介電材料。由于這種材料均吸收熱能，它們也就會膨脹或收縮，從而感應(yīng)出二次壓電信號來。當(dāng)壓電膜受熱時，膜內(nèi)的偶極子在熱激勵下作隨機(jī)運(yùn)動。這就使膜內(nèi)的平均極化減少，而在膜面上產(chǎn)生出電荷，其輸出電流與溫度變化速率（∆T）成正比，溫度每上升（或減少）一度所產(chǎn)生的電荷數(shù)目，可以用熱電荷系數(shù), ρ 來表示。

面積為A，介電常數(shù)為ε，厚度為t的壓電薄膜，所產(chǎn)生的電荷和電壓，按下式計(jì)算：

            Q = ρ∆TA
            V = ρt∆T/ε

例五：
一個膜厚度（t）為9µm，介電常數(shù)（ε）為106×10¯12C/Vm和熱電系數(shù)（ρ）為30×10¯6C/(m2°K)的壓電膜熱電探測器，因?yàn)槭艿郊t外輻射，而使溫度（∆t）上升了１°K（華氏），其輸出電壓的計(jì)算如下：
壓電薄膜的熱電電壓系數(shù)，大約比鋯鈦酸鉛（PZT）和鈦酸鋇（BaTiO3）高一個數(shù)量級。表5比較了這幾種材料的熱電特性。
表5：熱電材料比較表

壓電薄膜的優(yōu)點(diǎn)包括：
-- 不吸潮（＜0.02% H2O吸水性）
-- 低導(dǎo)熱性
-- 低介電常數(shù)
-- 化學(xué)惰性
-- 大尺寸探測器

壓電薄膜的熱電響應(yīng)也是壓電傳感器在低頻應(yīng)用時的噪聲源。用于低頻應(yīng)力感應(yīng)時，可以有幾種方便的方法“共模抑制”熱電響應(yīng)。例如：

在一個壓電膜器件上采用二個相同形狀尺寸的電極;一個電極與d31同向，而另一個電極則與d31方向相垂直，兩個電極響應(yīng)熱信號時產(chǎn)生的信號相同，但與d31同向的電極面積所產(chǎn)生的卻是垂直方向電極的10倍。減去這一信號后，就得到純壓電響應(yīng)。
二個尺寸大小相同的壓電膜器件，均為多層堆疊結(jié)構(gòu)，一個膜為d31取向，并與應(yīng)力面平行；另一個膜也為d31取向，但與應(yīng)力面相垂直。如上所述，信號是相減的，這就將壓電響應(yīng)從熱響應(yīng)中分離出來。
還有其他共模抑制技術(shù)，可以由MSI公司的應(yīng)用工程師們?nèi)リU明。
    在較高頻率上應(yīng)用時，壓電薄膜器件溫度變化速率低于要測的應(yīng)力過程時，采用頻率濾波器可以很方便地去除不需要的熱信號。