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现象： 沿电轴x方向施力，在?x轴表面产生电荷?纵向压电效应； 沿力轴y方向施力，也在?x轴表面产生电荷?横向压电效应； 沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变； 分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。 原因： 阻抗变换作用：高阻抗?低阻抗 放大传感器的微弱信号 其它应用 总结 例10： 压电式血压传感器 例11：指套式电子血压计 例12：水深测量仪 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 * * 压电器件 受力、表面形变 电荷 §5-1 压电效应和压电材料 一、压电效应 1、正（顺）压电效应 2、逆压电效应（电致伸缩） 压电介质 正压电效应 Q(E) 电能 T(S) 机械能 逆压电效应 二、压电材料简介 压电常数 弹性常数（刚度） 介电常数 机电耦合系数 电阻 居里点 压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性 固有电容、频率下限 机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度 常用压电材料 三、石英晶体的压电特性 居里点573℃，六角晶系结构 光轴 电轴 机械轴 x轴方向受力：压力 x轴方向受力：拉力 y轴方向受力：压力 y轴方向受力：拉力 （a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。 （b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。 （c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷 四、压电陶瓷的压电现象 人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体 电畴 未极化前：不具压电性 撤销外电场 加外电场 E 对外不呈极性 加力F：放电现象 取消F：充电现象 机械能 电能 正压电效应： §5-2 等效电路和测量电路 一、压电晶片的连接方式 1）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。 U’=U Q’=2Q 则C’=2C 2）串联：用于电压作为输出量场合。 U’=2U Q’=Q 则C’=（1/2）C 这种联接，输出电荷大，本身电容大，允许被测对象变化频率稍低。 这种联接，输出电压大，本身电容小，要求后续电路有较大的输入阻抗。 二、压电传感器的等效电路 只适宜动态测量 压电晶片： 压电传感器： 压电传感器在实际测量系统中的等效电路 电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 (阻抗变换器) 输出电压?输入电压 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源 输出电压?输入电荷 前置放大器的作用 前置放大器 压电传感器 一般仪器 前置放大器 输出阻抗很高 输出阻抗适当降低 三、压电传感器的测量电路 1、电压放大器 前置放大器输入端电压： 前置放大器输入端电压幅值： 输入电压与作用力间的相位差： 时间常数 输入电压与作用力间的相位差： 时间常数 讨论： 适合测量高频交变力 由运算放大器构成的电压比例放大器 与电缆电容有关 2、电荷放大器 灵敏度 与电缆电容无关 上限 下限 §5-3 压电传感器的应用 例1： 压电式测力传感器 压电式三向力传感器 例2： 压电式压力传感器 注意：上盖与石英晶体间应有一定的预压力。 例3：压电引信 压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹 例4：火炮堂内压力测试 发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。 例5：压电式加速度传感器 —— 重块质量 —— 加速度 测量过程演示 例6：冲击试验台的标定和检测 产品过载冲击试验 跌落高度h 被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块 加速度 产品 例7：汽车安全气囊系统 事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体 例8： 气体发生器输出特性测试 密封容器压力测试法 例9：振动测量仪 加速度 160 ug ~ 10 g 速度 0.4 ~ 80 cm/s 振幅 4 um ~ 8 cm 转换开关S A： V： D： 积分：振动速度、幅值 * 类 别 材 料 成 分 特 性 石英晶体 单晶体、水晶 （人造、天然） SiO2 d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力700-1000Kg/cm2 压电陶瓷 人造多晶体 钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系 压电系数高d33=190×10-11C/N 品种多、性能各异 新型压电材料 压电半导体