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传感器与检测技术教案授课班级 08电气（16） 授课日期 2010.3.29 授课教师 任 务： 压电式传感器 教学要求: 1掌握压电式传感器的工作原理2了解石英及压电陶瓷材料的压电效应及特点3. 分析电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点4掌握压电式传感器应用于压力、应力及加速度的测量 教学重点: 1压电式传感器的测量电路 2电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点 教学难点：1. 石英及压电陶瓷材料的压电效应及特点 2. 电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点 教学手段： 多媒体课件 教学课时： 2学时【教学过程】 导入：（3分钟）取一块干燥的冰糖，在完全黑暗的环境中，用榔头敲击之，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光。思考产生这种强电场的机理引出晶体的压电效应，基于压电效应做成了测量动态力、动态压力、振动加速度等的压电式传感器。 授课内容：一. 压电式传感器的作用（5分钟）压电传感器是力敏感元件，将被测量力，压力，加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量电测的目的。它是一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）它是基于某些材料的压电效应（课件动画演示）。二. 压电效应（20分钟）压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。1. 正压电效应即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力作用时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷（或产生内部电场）。当力消失后，又重新恢复不带电的状态。2. 逆压电效应在晶体（电介质）的极化方向上施加外部电场。晶体（电介质）产生伸缩机械形变（或机械应力）。当外电场消失则晶体（电介质）的机械形变（或机械应力）消失。a=dU x 3. 压电材料 石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料特性（了解）三、石英晶体压电效应分析（25分钟）1.石英晶体石英晶体,又称水晶体（或单晶体）。天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图所示: 其中：X轴-电轴，经过六面体棱线 Y轴-机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴-光轴，垂直于晶体截面且与X,Y轴垂直电偶极矩P1、P2、P3，P = qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离）。2. 压电效应分析课件动画演示X轴施加力受力后P1变小，P2、P3变大，要加以说明同理分析Y轴、Z轴方向受力可得出：在其X轴或Y轴方向上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号符号相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生任何压电效应。3. 结论(1) 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关(2) 无论正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系。(3) 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。(4) 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。四、压电陶瓷材料压电效应分析（25分钟）1. 压电陶瓷材料去掉电场后的图示讲课过程要加 (1) 压电陶瓷材料是一种铁电体材料，是人工制造的多晶体材料，具有一定的极化方向，类似于铁电体结构的电畴特性。但分子图的杂乱无章无规则排列，在无外加电场的作用下，其呈现中性。(2) 极化处理：在电场的作用下，电畴分子图有规则排列（趋于外电场方向）从而使材料得到极化。外电场去掉后，其内部有残存剩余极化强度。(3) 压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定的压电效应。2. 压电效应分析极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外力时将会产生压电效应。但其过程不同于石英晶体压电过程。(1) 在未受外力作用下在未受外力作用下，整个压电片如图所示不呈现极性而是中性。 这是因为残余极性强度产生正负束缚电荷。并且吸附了外界自由电荷起到屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。(2) 在外加与极化方向平行压力F时 压电片产生压缩形变，使得正负束缚电荷距离变化，其极化强度也相应变小，导致吸附表面的自由电荷-部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界自由电荷，类似充电现象。从而产生一个充放电的压电效应。（即将机械能-电能）五. 逆压电效应分析在极化方向上施加一个相同方向的外电场E时，则产生增大极化强度的作用，使得正负束缚电荷距离增加，即产生极化方向上的伸长形变。同理，外电场方向改变。则产生一个压缩形变。（电能-机械能） 本次课小结：（5分钟） 正压电效应（1）压电式传感器的工作原理：压电效应 逆压电效应 压电材料石英晶体压电效应分析（2）压电效应的分析 压电陶瓷压电效应分析 自己复习回顾（剩余时间） 作业： P108 2、3、5 板书： 第五章 压电式传感器 第一节 压电式传感器工作原理一. 压电式传感器的作用将被测量力，压力，加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量电测的目的。它是一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）它是基于某些材料的压电效应。二. 压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。1. 正压电效应2. 逆压电效应a=dU x 3. 压电材料三. 石英晶体压电效应分析1.石英晶体 其中：X轴-电轴，经过六面体棱线 Y轴-机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴-光轴，垂直于晶体截面且与X,Y轴垂直电偶极矩P1、P2、P3，P = qL2. 压电效应分析X轴施加力Y轴、Z轴方向受力3. 结论:(1) 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关(2) 无论正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系。(3) 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。(4) 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。四. 压电陶瓷材料压电效应分析1. 压电陶瓷材料 (1) 压电陶瓷材料在无外加电场的作用下，其呈现中性。(2) 压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定的压电效应。2. 压电效应分析 (1) 在未受外力作用下,不呈现极性而是中性。(2) 在外加与极化方向平行压力F时 压电片产生压缩形变，吸附表面的自由电荷-部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界自由电荷，