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传感器与检测技术教案 授课班级 08电气（1～6） 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　　 。 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。 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。 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。 Δa=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 X轴施加力 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 (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 Δa=dU x 3. 压电材料 三. 石英晶体压电效应分析 1.石英晶体