智能传感与检测技术 教案 4 压电式传感器

《智能传感与检测技术》课程教案授课章节第4章压电式传感器4.1压电元件与压电效应建议课时2授课方式理论知识讲授+课堂提问+课堂讨论+图片展示+多媒体演示所属专业教学目标了解压电元件分类；掌握压电效应教学重点石英晶体的轴和面以及压电现象教学难点压电效应产生的原因参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』压电式传感器是利用某些电介质受力后产生压电效应制成的传感器，是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷为基础，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。【课堂提问】谁能举例说明生活中接触到的压电式传感器？『授课内容』4.1.1压电元件压电式传感器中的压电元件一般有三类：压电晶体（单晶体）经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）高分子压电材料石英（SiO2）晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织，如果从晶体中切下一个平行六面体，这个晶片在正常状态下不呈现电性。【图片展示】如图4-1所示。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。【图片展示】如图4-2所示。高分子压电材料是近年来发展很快的一种新型材料。典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVDF的压电常数最高，有的材料可比压电陶瓷还要高十几倍。其输出脉冲电压有的可以直接驱动CMOS集成门电路。【图片展示】4.1.2压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到正常的不带电状态，这种现象称为正压电效应。当外力作用方向改变，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。【图片展示】图4-3是正压电效应的示意图。逆压电效应是指：如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。下面讲解正压电效应：石英晶体的三个轴：纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴【图片展示】石英晶体的三个面：垂直于光轴（z轴）的面称为z面垂直于电轴（x轴）的面称为x面垂直于机械轴（y轴）的面称为y面【图片展示】电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧。【课堂讨论】为什么电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧？石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较：在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷：式中d11为x方向受力的压电系数。在y轴方向施加压力Fy时，则仍在x面上产生电荷：式中d12为y轴方向受力的压电系数，l、δ为石英晶片的长度和厚度。【图片展示】当石英晶体未受外力作用时，如图（a）所示，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。因为P=ql,q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动，如图（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出现电荷，它的极性为在x轴正向出现负电荷，x轴负向出现正电荷。在y轴方向上的电偶极距的分量为零，不出现电荷。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图（c）所示。P1增大，P2、P3减小。在x面上出现电荷，它的极性为在x轴正向出现正电荷，x轴负向出现负电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。【多媒体演示】石英晶体的压电效应演示。『课堂小结』今天我们学习了4.1压电元件与压电效应，大家要了解三种常用的压电元件分别是：压电晶体（单晶体）；经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；高分子压电材料以及它们的特性。另外今天的重点内容是压电效应，压电效应可分为正压电效应和逆压电效应以及为什么会产生