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1、6.1 压电效应6.1.1压电效应概述逆压电效应（电致伸缩）：施加电场时，应变与外电场强度E成正比：对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。=机械能电能力F电荷Q应变电场强度E压电效应逆压电效应-逆压电效应的应用6.1.2 石英晶体的压电效应1 石英晶体学坐标描述2 压电效应特点3 压电效应机理分析4 压电方程天然石英晶体外形天然石英晶体外形天然石英晶体外形ZXY天然石英晶体外形晶体轴ZXYZXYYX 光轴光轴Z Z 电轴电轴X X 机械机械轴轴Y Ybdxx=11xx=11xx=xx=11 纵向压电效应xx=12yy=12xx=xx=1212=
2、11 横向压电效应13=23=33=0 沿着轴方向施力，无压电效应xx=11xxxx=12yy=11yy13=23=33=0 i j石英晶体的晶胞模型压电效应机理分析P1+P2+P3=0压电效应机理分析(P1+P2+P3)x0(P1+P2+P3)y=0压电效应机理分析(P1+P2+P3)x0(P1+P2+P3)y =0(P1+P2+P3)x、y =0D=qxx=d11 xx+d12 yy+d 13 zz+d 14 yz+d 15 zx+d 16 xyqyy=d21 xx+d22 yy+d 23 zz+d 24 yz+d 25 zx+d 26 xyqzz=d31 xx+d32 yy+d 33 z
3、z+d 34 yz+d 35 zx+d 36 xyD=-2.31 2.31 0 -0.67 0 00 0 0 0 0.67 4.620 0 0 0 0 0 x 10-12C/Nd d1111=-d d1212d d1414=-d d2525d d2626=-2d2d11116.1.3 BaTiO3 TiO26.1.3 BaTiO3 TiO22030kv/cm,236.1.3 BaTiO3 TiO22030kv/cm,236.1.3zzx,yzxzyzx,y.6.1.3zzx,yzxzyzx,y.6.1.3zzx,yzxzyzx,y.xzyz0 0 0 0 d1500 0 0 d240 0d31
4、d32d330 0 0D=33=190 x 10-12C/N31=32=-0.4133=-78 x 10-12C/N15=24=250 x 10-12C/N体积压电效应：q=（31+32+33）6.2 6.2 d1120d116.2 573115石英晶体压电陶瓷机械强度高绝缘性好时间稳定性好温度稳定性好居里点高无热释电效应压电常数小压电常数大制作工艺成熟成本低居里点低存在热释电效应铌酸锂：锂盐类压电单晶LiNbO3时间稳定性好，居里点1200锆钛酸铅：Pb(ZrTi)O3PZT系压电陶瓷居里点300、d33=（200300）x10-12C/N极化难度比钛酸钡大；铌镁酸铅：PMN系压电陶瓷，居里
5、点260、d33=700 x10-12C/N压电半导体：硫化锌、硫化镉、碲化镉、碲化锌、氧化锌、砷化镓。其他压电材料高分子压电薄膜及切片有机高分子：高分子聚合物（聚氟乙烯、聚氯乙烯等），经延展拉伸和电极化后具有压电性。薄膜”形状，可制成大面积阵列传感器，耐冲击、不易破碎。为提高压电性能，聚合物中掺杂压电陶瓷粉末。高分子压电材料的特性防水,不易破碎，可制成大面积或较长的成品，价格便宜。压电垫和压电电缆交通监测压电电缆埋在公路上，可获取车型信息（轴数、轴距）、车速监测；用于收费站口、闯红灯拍照、停车区域监控、及机场检测等。6.3 sCra0s-r-0-6.3 Q=6.4 6.4 6.4.1UaCa
6、R=Ra/RiC=Cc/CiQ=33=33sin=133sin=11+1=33sin 1+(+)=sinUaCa=33sin 1+(+)=sin=331+(+)2=2 tan1（(+)）UaCa=sin=331+(+)2理想情况下很高，,=33+=(+)1+(+)2UaCa=sin=(+)1+(+)2设0=1(+)=01+(0)2UaCa06.4 =01+(0)2=2 tan1（0）=33+=0时，幅值比等于12，下限截止频率0=降低下限截止频率：放大电路输入电阻要高 测量灵敏度与电容成反比 更换引线时，必须对测量灵敏度重新进行标定06.4 6.4.26.4 6.4 =+(+)()=0/6.4
7、 =+(1+)(+)1+、0，且 1即(1+)+6.4 1+1+思考：考虑引线的影响：=1+(1+)1+=+(1+)102+102 102102+102 102+(1+104)102相对误差为1%6.4 1+1+思考：低频情况，不能忽略 1+:+2+2=1+2幅值：6.4 考虑低频情况，不能忽略 1+:2+2=1+2幅值：当=1时，=126.4 6.5.1 6.5.2 压电元件的串联和并联压电元件的并联组合=2=2=输出电荷大，时间常数大，适用于缓变信号测量和以电荷为输出的场合。压电元件的串联组合=12=2输出电压大，适用于高频信号测量和以电压为输出的场合。0 5000N,刀具切削力测量123
8、46.5 6.5.2 1、工作原理典型应用：机械状态检测冲击检测运输工具振动检测土木结构振动检测优点：工作频带宽、测量范围大、体积小、重量轻、坚实牢固。被测加速度质量块相对位移压电元件形变电荷输出力学模型 线圈相对位移=，相对速度=kmc 2mknc0.3 0.6 1 2 3 5 102.51.00.50.20.10-90-180()=0.70.6=10.70.50.322+=022+=22 =()()=12+2+2固有频率=阻尼比=2 =()相频特性 =tan121 2频率响应 =121 2+2幅频特性 =121 22+422n幅频特性 =()=121 22+422由压电效应 =幅频特性()=121 22+4226 压电效应 石英晶体的压电效应 压电陶瓷的压电效应 等效电路 测量电路