智能傳感與檢測技術(shù) 教案 4 壓電式傳感器

《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第4章壓電式傳感器4.1壓電元件與壓電效應(yīng)建議課時2授課方式理論知識講授+課堂提問+課堂討論+圖片展示+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標了解壓電元件分類；掌握壓電效應(yīng)教學(xué)重點石英晶體的軸和面以及壓電現(xiàn)象教學(xué)難點壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生壓電效應(yīng)制成的傳感器，是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷為基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量?！菊n堂提問】誰能舉例說明生活中接觸到的壓電式傳感器？『授課內(nèi)容』4.1.1壓電元件壓電式傳感器中的壓電元件一般有三類：壓電晶體（單晶體）經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）高分子壓電材料石英（SiO2）晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織，如果從晶體中切下一個平行六面體，這個晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。【圖片展示】如圖4-1所示。壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的電疇組成。這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。【圖片展示】如圖4-2所示。高分子壓電材料是近年來發(fā)展很快的一種新型材料。典型的高分子壓電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的壓電常數(shù)最高，有的材料可比壓電陶瓷還要高十幾倍。其輸出脈沖電壓有的可以直接驅(qū)動CMOS集成門電路?！緢D片展示】4.1.2壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：某些物質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到正常的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當外力作用方向改變，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的?！緢D片展示】圖4-3是正壓電效應(yīng)的示意圖。逆壓電效應(yīng)是指：如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當外電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。下面講解正壓電效應(yīng)：石英晶體的三個軸：縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效應(yīng)經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸經(jīng)過正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機械軸，也稱y軸【圖片展示】石英晶體的三個面：垂直于光軸（z軸）的面稱為z面垂直于電軸（x軸）的面稱為x面垂直于機械軸（y軸）的面稱為y面【圖片展示】電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)?！菊n堂討論】為什么電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)？石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較：在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產(chǎn)生的電荷：式中d11為x方向受力的壓電系數(shù)。在y軸方向施加壓力Fy時，則仍在x面上產(chǎn)生電荷：式中d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，l、δ為石英晶片的長度和厚度?！緢D片展示】當石英晶體未受外力作用時，如圖（a）所示，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。因為P=ql,q為電荷量，l為正負電荷之間距離。此時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動，如圖（b）所示，此時正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)負電荷，x軸負向出現(xiàn)正電荷。在y軸方向上的電偶極距的分量為零，不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體的變形如圖（c）所示。P1增大，P2、P3減小。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)正電荷，x軸負向出現(xiàn)負電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)?！径嗝襟w演示】石英晶體的壓電效應(yīng)演示?！赫n堂小結(jié)』今天我們學(xué)習(xí)了4.1壓電元件與壓電效應(yīng)，大家要了解三種常用的壓電元件分別是：壓電晶體（單晶體）；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）；高分子壓電材料以及它們的特性。另外今天的重點內(nèi)容是壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)以及為什么會產(chǎn)生