壓電式傳感器的工作原理教學(xué)課件

1、第6章壓電式傳感器概念說明 閱讀并回答： P103-104（1）壓電效應(yīng)是什么？（2）壓電效應(yīng)和壓阻效應(yīng)有什么區(qū)別？（3）逆壓電效應(yīng)是什么？和壓電效應(yīng)概念有什么區(qū)別？ （4）壓電傳感器的工作原理是基于正向還是逆向壓電效應(yīng)？ 應(yīng)用舉例 視頻播放：壓電元件實(shí)驗(yàn) 主要內(nèi)容工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用6.1 工作原理 6.1.1 壓電效應(yīng)（正）壓電效應(yīng)：是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。在外力去除后又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽▍^(qū)別于壓阻效應(yīng)）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）：當(dāng)在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上加交流電壓，將導(dǎo)致壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)（在

2、電極方向上產(chǎn)生伸縮變形）可見：壓電效應(yīng)具有可逆性6.1.1 壓電效應(yīng)用途：主要用于與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，如動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量單晶體單晶體是指樣品中所含分子（原子或離子）在三維空間中呈規(guī)則、周期排列的一種固體狀態(tài)。 化學(xué)藥物中的原料藥（一般由單一成分組成）在合適的溶劑系統(tǒng)中經(jīng)重結(jié)晶可得到適合X射線衍射使用的單晶樣品，其大小約為0.5mm左右。例如：雪花、食鹽小顆粒等。單晶體是半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)上的重要材料。6.1.2 壓電材料（實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料） 多晶體整個(gè)物體是由許多雜亂無章的排列著的小晶體組成的，這樣的物體叫多晶體

3、。例如：常用的金屬。原子在整個(gè)晶體中不是按統(tǒng)一的規(guī)則排列的，無一定的外形，其物理性質(zhì)在各個(gè)方向都相同。如：由許多食鹽單晶體粘在一起而成大塊的食鹽。多晶體有確定熔點(diǎn)。6.1.2 壓電材料（實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料） 6.1.2 壓電材料（實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料）石英晶體（單晶體） 閱讀并回答： P104（1）石英晶體的晶向有幾個(gè)？分別是什么？ （2）在哪個(gè)晶向上受力會(huì)產(chǎn)生電荷集聚？在哪個(gè)晶向上受力會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變？受力作用的機(jī)理 產(chǎn)生電荷聚集 產(chǎn)生機(jī)械形變 壓電陶瓷（多晶體） 閱讀并回答： P107（1）什么是壓電陶瓷材料的極化？（2）什么是剩余極化？壓電高分子材料 目前已發(fā)

4、現(xiàn)的壓電系數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯（PVDF），其壓電效應(yīng)可采用類似鐵電體的機(jī)理來解釋。這種聚合物中碳原子的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，經(jīng)過機(jī)械滾壓和拉伸制作成薄膜（壓電薄膜）之后，帶負(fù)電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對(duì)應(yīng)上下兩邊上，形成微晶偶極矩結(jié)構(gòu)，經(jīng)過一定時(shí)間的外電場(chǎng)和溫度聯(lián)合作用后，晶體內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時(shí)的剩余極化的變化，引起了壓電效應(yīng)。閱讀并回答： P108相比于石英晶體和壓電陶瓷，高分子材料壓電薄膜的優(yōu)越性在哪里？ 壓電材料的特性參數(shù)壓電系數(shù)：衡量壓電效應(yīng)強(qiáng)弱（靈敏度）彈性系數(shù)：決定固有角頻率（動(dòng)態(tài)特性）介電常數(shù)：影響固有電容（頻率下限）機(jī)電耦合系數(shù)：用于衡量能量轉(zhuǎn)換效率電阻：減少電荷泄漏（改善壓電式傳感器的低頻特性）居里點(diǎn)：開始失去壓電特性的溫度閱讀并回答： P108壓電材料特性參數(shù)中參數(shù)含義：（1）機(jī)電耦合系數(shù)？（2）居里點(diǎn)？ 壓電材料的選取選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：轉(zhuǎn)換性能：高耦合系數(shù)、大壓電系數(shù)機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高電性能：高電阻率、大介電常數(shù)，減弱外部分布電容的影響溫度、濕度穩(wěn)定性好：寬的