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压电效应ppt课件

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压电驱动技术及压电驱动器的应用研究PPT

压电驱动技术及压电驱动器的应用研究PPT

06
CHAPTER
压电驱动技术的前沿研究动 态
高性能压电材料的研究进展
高性能压电陶瓷材料
研究具有高机电耦合系数、低介电损耗的压电陶瓷材料，提高驱 动器的转换效率。
压电复合材料
利用不同材料的组合，发挥各自优点，提高压电材料的综合性能。
无铅压电材料
开发环保型的无铅压电材料，替代传统含铅材料，降低环境污染。
智能传感器
利用压电驱动技术实现传感器的高灵敏度、快速响应和低 能耗。
精密定位与微动系统
利用压电驱动器实现高精度定位和微动，应用于微纳制造、 生物医疗等领域。
环境感知与自适应控制
研究基于压电驱动技术的环境感知系统，实现自适应调节 和控制。
THANKS
谢谢
05
CHAPTER
压电驱动技术的实验研究
实验设备与方法
1 2
压电陶瓷
选用高性能的PZT-5A型压电陶瓷作为驱动元件， 其具有较高的机电耦合系数和良好的稳定性能。
驱动器设计
根据实际需求，设计不同规格和形状的压电驱动 器，如直线型、弯曲型和振动型等。
3பைடு நூலகம்
实验平台搭建
搭建实验平台，包括电源、信号发生器、数据采 集与处理系统等，用于测试压电驱动器的性能。
拓展应用领域
医疗领域
利用压电驱动器的小型化和精确 控制特性，开发用于医疗设备的 精密驱动器，如手术机器人和微
型植入物。
微纳制造领域
利用压电驱动器的快速响应和高精 度特性，在微纳制造领域实现高精 度的定位、装配和加工。
航空航天领域
在航空航天领域，利用压电驱动器 的轻量化和高可靠性特性，开发用 于飞行器的高效、轻量化的驱动系 统。
压电驱动器能够实现高精度的振动控制和声波调制，被广泛应用于无损检测、噪 声控制、地震探测等领域。

第三次课压电效应-PPT课件

第三次课压电效应-PPT课件

压电特性的矩阵表示
表示压电体的能量转换方 式
dij=0,则表示该方向上没有压电效应
1 d11 d12 d13 d14 d15

2


d21
d22
d23
d24
d25
3 d31 d32 d33 d34 d35
大小表示压电效应的强弱
T1
d16 d26 d36
TTTT5432
正压电效应
横向压电效应 切向压电效应
逆应——机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变
形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面 上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新 恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 ● 顺（正）压电效应
压电常数和表面电荷计算
i,j di,j Tj
Tj: j方向的应力 dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数 σij:j方向的力在i面产生的电荷密度
z(3)
x(1) i(i=1,2,3):
y(2)
z
(3)
(σ 3 ) F3 F6
σi j = d i j Fj
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
体是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。
主要压电材料及其性能表征
• 自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。
实际应用的压电材料 ① 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 ② 压电陶瓷（多晶体）：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列） 等。 ③ 有机压电材料：聚偏氟乙烯(ＰＶＤＦ)和偏氟乙烯三氟乙 烯共聚物(ＶＤＦ-TRFE)等有机压电（薄膜）材料等。 ④ 复合压电材料：在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状 、杆状、或粉末状压电材料构成的。

压电陶瓷ppt课件

压电陶瓷ppt课件
12
三、压电陶瓷的应用
1880~1940：压电晶体； 上世纪40年代中期：BaTiO3压电陶瓷问世； 由于压电陶瓷具有突出优点，包括： 制造方便，设备简单，成本低廉，不受尺寸大小限制，可
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K2

由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2

由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
第二相变点
92 % mol 8% mol
0.2 % wt 120℃ -45℃
88 % mol 4 % mol 8 % mol
160℃ -50℃
7
锆钛酸铅（PbTiO3—PbZrO3，缩写PZT）陶瓷: Tc>300℃, 在 -50℃ ～ 300℃ 范 围 内 无 相 变 点 ， 压 电 常 数 比 BaTiO3大二倍多，因此，它是目前品种最多，产量最大，应 用最为广泛的压电陶瓷。
1. 压电效应

压电陶瓷的压电系数PPT课件

压电陶瓷的压电系数PPT课件
第15页/共32页
压电材料
（a）未极化 图5-4 压电陶瓷的极化
（b）电极化
当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，
电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而
在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。
这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机
械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。
压电材料
天然结构定义
• x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压 电效应最强。称为电轴。
• y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最 大，称为机械轴。
• z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
通常把沿电轴x方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械y方向的作用下产生电荷的压 电效应称为“横向压电效应”。而沿光 轴 z 方 向第受10页力/共时32页不 产 生 压 电 效 应 。
它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复 性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高 达100%、稳定性好。
第8页/共32页
压电材料
（a）
（b）
图5-2 石英晶体
（c）
天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面 体。石英晶体各个方向的特性是不同的
第9页/共32页
电压放大器电荷放大器上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当压电式测力传感器上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当压电式加速度传感器上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当压电式金属加工切削力测量上司的判断和决策在很大程度上是根据秘书的汇报作出来的汇报的内容是否真实汇报的数据是否准确汇报的用语是否恰当

压电性能及其应用PPT课件

压电性能及其应用PPT课件

可编辑
2019/
43
9/22
在相界附近的PZT瓷压电性能比BaTiO3瓷高得多 。 由于相界处PZT瓷的Tc高(360℃)，因而在200℃以内,KP 和 ε都很稳定，是理想的压电材料。
PZT陶瓷的掺杂改性
为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的 PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的 Pb2+离子或B位的Zr4+, T i 4+离子，从而改进材料的性能。
可编辑
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机电耦合系数的定义是：
K 2 通过逆压电效应转换所得的机械能
转换时输入的总电能
或
K 2 通过正压电效应转换所得的电能
转换时输入的总机械能
可编辑
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机械能与压电振子形状和振动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式有关
： 压电陶瓷振子（具有一定形状、大小和被覆工作电 极的压电陶瓷体）的机械能与其形状和振动模式有 关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。
dij33的简化矩阵表示8548548522p351转换时输入的总电能通过逆压电效应转换所得的机械能转换时输入的总机械能通过正压电效应转换所得的电能压电陶瓷振子具有一定形状大小和被覆工作电极的压电陶瓷体的机械能与其形状和振动模式有关不同的振动模式将有相应的机电耦合系数
（书上8.5 压电性
）8.3 介电材料的 压
常见的压电常数有四种：dij、gij、 eij、 hij。
可编辑
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22
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电极化的一个分量将由压电常数的九个分 量来表述（二阶张量）
可编辑
2019/
23
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05压电PPT课件

05压电PPT课件
电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若 形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应。
F 极化面
Q
F
机械能｛
压电效应及可逆性
逆压电效应
压电介质
｝电能
正压电效应
5.1 压电效应
机械能转变为电能 压 电 效 应
电能转变为机械能
纵向压电效应
正压电效应
横向压电效应 切向压电效应
逆压电效应
电致伸缩效应
⑤与T1作用下产生的变形对应有束缚电荷σ3=d31T1； 所以有：
T1
3 d 31
S1
c11 • T1
c11
•
3 d 31
3
S1 •
d 31 c11
T1
C11
S1
d 31
c11
σ3
特点：信号变换是单向的。
5.5.2电边界为开路状态
Ce
A
U～
Rd C c R i C i U i
U0
Ce
A
U～
R C Ui
5.5 测量电路
●压电方程耍同时考虑力与电之间相互作用和相互影响，即 力正压电效应产生电荷 电荷逆压电效应力
●测量线路不同（电边界为短路状态或电边界为开路状态），则力与电之 间相互作用和相互影响不同。
5.5.1电边界为短路状态（电荷放大）
④应力T1与形变S1关系为： S1=C11T1 式中：C11为压电陶瓷固有的柔度系数；
5.2压电材料--5.2.1石英晶体 天然形成的石英晶体外形
石英晶体切片及 双面镀银封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡 电路中工作时，压 电效应与逆压电效 应交替作用，从而 产生稳定的振荡输 出频率。

85压电性能及其应用精品PPT课件


2012-4-19
wzhuo
14
电极化的一个分量因该由压电常数的九个 分量来表述（三阶张量），如：
2012-4-19
wzhuo
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经过座标变换可以简化为压电常数由六个
分量来描述（二阶张量） 即正压电效应
中压电常数d33的简化矩阵 表示（二阶张
量）
2012-4-19
wzhuo
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逆压电效应 电--机转换
wzhuo
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电极化的一个分量将由压电常数的九个分 量来表述（二阶张量）
2012-4-19
wzhuo
23
压电常数d33的简化矩阵表示
（二阶张量）
2012-4-19
wzhuo
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压电效应的矩阵表示为：
：{Di} = [dij] {Tj}
(8-5-4)
：{Sj} = [dij]T {Ei} (8-5-4)
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wzhuo
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离子电荷的位移
2012-4-19
wzhuo
8
产生压电效应的必要条件
：产生压电效应的必要条件是： ：晶体的非中心对称性 ：晶体没有对称中心
2012-4-19
wzhuo
9
电介质材料分类
2012-4-19
wzhuo
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压电-热释电-铁电与 点群中的对称中心
2012-4-19
wzhuo
3
2012-4-19
wzhuo
4
：今天 ：氧化铅含量高达68-70％的PZT-钛
酸锆酸铅仍在大量使用。
2012-4-19
wzhuo
5

《压电材料》课件


水热法
总结词
水热法制备的压电材料具有较高的取向度和结晶度，但需要高温高压的条件。
详细描述
水热法是一种在高温高压条件下制备压电材料的方法。首先，将原料放入密封的容器中，加入适量的 水，然后通过具有较高的取向度和 结晶度，但需要高温高压的条件，对设备要求较高。
要求较高。
04
压电材料的发展趋势与展望
高性能压电材料的研发
高性能压电材料是当前研究的热 点，旨在提高压电常数、机电耦 合系数和居里点温度等关键性能
参数。
研究方向包括通过元素掺杂、纳 米结构设计、多相复合等手段优 化材料组成和结构，提高压电性
能。
高性能压电材料在超声成像、传 感器、驱动器等领域具有广泛的
压电陶瓷传感器用于检测汽车发动机的燃烧压力和气瓶压力，确保发动机和气瓶的 安全运行。
压电陶瓷传感器还可以用于检测汽车轮胎胎压，提高驾驶安全性和燃油经济性。
压电陶瓷传感器在汽车制动系统中也有应用，用于检测制动盘的振动和温度，确保 制动系统的稳定性和安全性。
压电复合材料在智能结构中的应用
压电复合材料可以用于智能结构 的振动控制和监测，提高结构的
机械耦合系数
描述压电材料在机械能和电能之间转换效率的参数。高的机械耦合系数意味着高 效的能量转换。
温度稳定性
居里温度
某些压电材料在达到居里温度时会失去压电效应。居里温度 的高低是衡量温度稳定性的重要指标。
热膨胀系数
描述材料在温度变化时尺寸变化的参数。低的热膨胀系数有 助于提高温度稳定性。
环境稳定性
利用压电材料的特性，可以制作各种 医疗器械，如超声波探头、心电图机 等。
军事领域
利用压电材料的特性，可以制作各种 军事设备，如声呐、引信等。

压电陶瓷ppt课件


其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因 而也是压电体。
2
3. 压电陶瓷
陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互 抵消；
人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶 瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电 场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在 陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上 也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压 电陶瓷。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
§9.5 压电陶瓷
压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，
即能进行机械能与电能相互转变的 陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速， 一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用， 甚至超过了压电晶体。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制

传感器课件5-1 压电效应


（一）受X轴方向的作用力
①当作用力 Fx=0 时
y
P1 P2 + + P3
正、负离子分布在正六边形
顶角上 形成三个互成 1200 的夹角
+
-
x
的偶极距 P1、P2、P3
此时正负电荷中心重合，电 偶极距的矢量和等于零
(a) Fx=0
系统电极性分析的方法：
（选定任意一个参考点，从参 考点向同一极性的电荷作电偶 极距，从
§5-1 压电效应 纵向压电效应
——沿电轴 X方向力作用下产生电荷的压电效应。
横向压电效应
——沿机械轴Y方向的力的作用下产生电荷的压电效应。 沿光轴 Z方向受力不产生压电效应。
产生压电效应的原因→晶体内部结构
O2O2等效为 Si 4+
等效2个氧 离子
晶格
§5-1 压电效应
下面讨论石英晶体受外力作用时晶格的变化情况
（三）受Z轴方向的作用力
正、负电荷中心保持重合，晶体不产生压电效应
§5-1 压电效应
下面讨论作用力与产生的电荷的关系 z O y
假设从石英晶体上切下一片平行 六面体——晶体切片， 使它的晶面分别平行于 X、Y、Z
x t
x y l （b） b （a） z
轴，如图所示。
并在垂直于 X 轴方向两面用真空 镀膜或沉银法得到电极面 。
q d 32 F y Az Ay d 31 F x Az Ax
Az——极化面面积 Ax、Ay——受力面面积 d32、d31——压电陶瓷的横向压电系数
③压电陶瓷在受到作用力Fx、Fy、Fz共同作用时，在垂直于 z轴的上、下平面上出现正、负电荷。
当作用力Fz、Fy或Fx反向时 电荷的极性同时反向
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No.1
• 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生 变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移 而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化 面)上出现符号相反的束缚电荷Q〔如图6-1(a)所 示〕，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度 σ)与外应力张量T成正比.:
•
D=dT
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2.
• 压电薄膜传感器的设计主要考虑了传感器 的灵敏度和信噪比，根据测量信号的频率 和响应幅度，我们设计薄膜传感器的结构 有如同图1所示的几种。在采集人体心音的 信号时，由于心音的频响范围较宽，同时 其输出的物理信号值也很微弱，采用硬质 衬底和中空的设计。这样可以提高传感器 中薄膜在收到心音信号时的形变量，从而 提高信号强度。这样结构设计的缺点是结 构不牢固，使用时间长了需要校正。
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பைடு நூலகம்
2.压电薄膜传感器 及其在心脏监测 中的应用
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原 理 介 绍
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关于…
• 压电薄膜传感器的设计 PVDF压电薄膜是一种 新型的高分子压电材料，在医用传感器中应用很 普遍[2，3]。它既具有压电性又有薄膜柔软的机 械性能，用它制作压力传感器，具有设计精巧、 使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全 舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻 抗十分接近等一系列特点[4]，可用于脉搏心音等 人体信号的检测。脉搏心音信号携带有人体重要 的生理参数信息，通过对该信号的有效处理，可 准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠的 诊断依据。
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谢谢观看!
~~~~~
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压电效应的应用
• 1.基于规则的氧化锌纳米线的纳
米发电机。
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对发电机原理的介绍
• A)在氧化铝衬底上 生长的氧化锌纳米 线的扫描电子显微 镜图像。 • (B)在导电的原子力 显微镜针尖作用下， 纳米线利用压电效 应发电的示意图。 • (C)当原子力显微镜 探针扫过纳米线阵 列时，压电电荷释 放的三维电压/电流 信号图.
Born in Warsaw on November 7, 1867
Marie died of leukaemia in July, 1934
A Nobel Prize Pioneer at the Panthéon
The ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthéon, in Paris, alongside the author Victor Hugo, the politician Jean Jaurès and the Resistance fighter Jean Moulin. Through her discovery of radium, Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy. Born of Polish parents, she was a woman of science and courage, compassionate yet stubbornly determined. Her research work was to cost her her life.
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一.压电效应（Piezoelectric Effect
由物理学知，一些离子型晶 体的电介质(如石英、酒石酸钾 钠、钛酸钡等)不仅在电场力作 用下，而且在机械力作用下， 都会产生极化现象.
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压电效应
对晶体对称性的研究,法国居里发现 压电效应
Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.
Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906
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• 式中 d——压电常数矩阵
NO.2
• 若对上述电介质施加电场作用时，同样会 引起电介质内部正负电荷中心的相对位移 而导致电介质产生变形，且其应变S与外电 场强度E成正比：
• S=Dt*E • Dt是逆压电常数矩阵.
• 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
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3.
• PVDF压电薄膜的压电常数一般为D33=15×10-12C/N，g 值比较高，但是具有很高的内阻抗，一般高达1012Ω，制 作出的传感器的输出阻抗较大，不利于后面的信号采集和 放大。为防止信号的衰减，我们采用高输出阻抗的场效应 管作为阻抗变换器，即为测量系统的前置电路。我们利用 结型场效应管的高输入阻抗的特点，根据其静态工作点设 计阻抗变换器，如图2(a)所示，传感器获得的人体信号经 过阻抗变换器后，得到可靠的低阻抗的输出信号。其输出 阻抗如图2(b)图所示。可以看出，在信号频率变化的情况 下，传感器的输出阻抗保基本保持不变。