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1、傳感器原理與應(yīng)用習(xí)題集與部分參考答案教材：傳感器技術(shù)（第3版）賈伯年主編，及其他參考書第6章 壓電式傳感器61 何謂壓電效應(yīng)？何謂縱向壓電效應(yīng)和橫向壓電效應(yīng)?答:一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象.且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度)與外應(yīng)力張量T成正比: D = dT 式中 d壓電常數(shù)矩陣。當(dāng)外力消失,電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向,電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。若對上述電介質(zhì)施加電場作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場強(qiáng)度E成正比： S=dtE 式中 dt

2、逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。6-2 壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些?試比較三類壓電材料的應(yīng)用特點(diǎn)。答：主要特性：壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)、電阻、居里點(diǎn)。壓電單晶：時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高,在高溫、強(qiáng)輻射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變.此外，還在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用.不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。壓電陶瓷:壓電常數(shù)大，靈敏度高,制造工藝成熟，成形工藝性好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用，還具有熱釋電性。新型壓電材料：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用

3、其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)。63 試述石英晶片切型（）的含意。64 為了提高壓電式傳感器的靈敏度,設(shè)計(jì)中常采用雙晶片或多晶片組合,試說明其組合的方式和適用場合。答:（1）并聯(lián)：C2C，q=2q,U=U,因?yàn)檩敵鲭娙荽?，輸出電荷大，所以時(shí)間常數(shù),適合于測量緩變信號，且以電荷作為輸出的場合。（2）串聯(lián):q=q，U=U,C=C/2， 特點(diǎn)：輸出電壓大，本身電容小，適合于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸出阻抗很高的場合.65 欲設(shè)計(jì)圖620所示三向壓電加速度傳感器，用來測量x、y、z三正交方向的加速度，擬選用三組雙晶片組合BaTiO3

4、壓電陶瓷作壓電組件.試問:應(yīng)選用何種切型的晶片？又如何合理組合?并用圖示意.66 原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，但實(shí)用中，壓電式傳感器可能用來測量準(zhǔn)靜態(tài)量，為什么？答：壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉力、壓力和力矩測量場合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件。由于它剛度大,動(dòng)態(tài)特性好;測量范圍廣，可測范圍大；線性及穩(wěn)定性高；可測單、多向力。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，就可測準(zhǔn)靜態(tài)力.67 簡述壓電式傳感器前置放大器的作用，兩種形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其如何合理選擇回路參數(shù)?6-8 已知ZK-2型阻抗變換器的輸入阻抗為2000M,測量回路的總電容為1000

5、pF.試求：當(dāng)與壓電加速度計(jì)相配，用來測量1Hz的低頻振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的幅值誤差。6-9 試證明壓電加速度傳感器動(dòng)態(tài)幅值誤差表達(dá)式:高頻段：;低頻段：。若測量回路的總電容C=1000pF，總電阻R=500M，傳感器機(jī)械系統(tǒng)固有頻率=30kHz，相對阻尼系數(shù)=0。5，求幅值誤差在2%以內(nèi)的使用頻率范圍。6-10 試選擇合適的傳感器：(1）現(xiàn)有激磁頻率為2.5kHz的差動(dòng)變壓器式測振傳感器和固有頻率為50Hz的磁電式測振傳感器各一只，欲測頻率為400500Hz的振動(dòng),應(yīng)選哪一種？為什么？（2）有兩只壓電式加速度傳感器，固有頻率分別為30kHz和50kHz，阻尼比均為0.5，欲測頻率為15kzHz的振動(dòng)，

6、應(yīng)選哪一只？為什么?611 一只壓電式壓力傳感器靈敏度為9pC/bar，將它接入增益調(diào)到0。005V/pC的電荷放大器，放大器的輸出又接到靈敏度為20mm/V的紫外線記錄紙式記錄儀上。（1）試畫出系統(tǒng)方框圖；(2）計(jì)算系統(tǒng)總的靈敏度；（3）當(dāng)壓力變化35bar時(shí)，試計(jì)算記錄紙上的偏移量。612 什么是正壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)有哪些種類？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)是什么？能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力?答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài);而當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性隨著改變。晶體

7、受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng).反之,如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離,變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng).壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機(jī)高分子聚合材料結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)：在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電芯片構(gòu)成一個(gè)壓電組件.其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)；根據(jù)兩片壓電芯片的連接關(guān)系，可分為串聯(lián)和并聯(lián)連接，常用的是并聯(lián)連接，可以增大輸出電荷,提高靈敏度。使用時(shí)，兩片壓電芯片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用,同時(shí)可消除兩片壓電芯片因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出信號與輸入作用力間的線性

8、關(guān)系,因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗.但實(shí)際上這是不可能的,所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測量.613 石英晶體X、Y、Z軸的名稱是什么？試根據(jù)石英晶體的結(jié)構(gòu)分析該晶體各方向有無壓電效應(yīng)。答：電軸：x軸穿過六棱柱的棱線，在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng);機(jī)軸：y軸垂直六棱柱面。在電場作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；Y+-XFX=0P1P2P3光軸：z軸晶體上、下晶錐項(xiàng)點(diǎn)連線重合，也叫中性軸，光線沿該軸通過時(shí)，無折射及壓電效應(yīng)。石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的.組成石英晶體的硅離子Si4+和

9、氧離子O2在Z平面投影。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為如圖中正六邊形排列,圖中“”代表Si4+，“”代表2O2。當(dāng)作用力FX=0時(shí),正、負(fù)離子（即Si4+和2O2)正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX0；在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0、（P1+P2+P3）Z=0，則在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX0）作用時(shí)，電極矩的三個(gè)分量為(P1+P2+P3）X晶向。并計(jì)算(111)晶面內(nèi)， 晶

10、向的縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系數(shù)。6-23 壓電傳感器的輸出信號的特點(diǎn)是什么？它對放大器有什么要求？放大器有哪兩種類型？答：特點(diǎn):其輸出阻抗大，要求前置放大器的輸入阻抗大，而輸出阻抗小。要求：其信號微弱，要求高的放大倍數(shù)。類型：電壓放大器，電荷放電器（與電路電容無關(guān)）624 壓電傳感器測量范圍.答：只能測量變力且交變頻率越高,靈敏度越大.6-25 常用壓電材料有哪幾種?答：應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體,如鈦酸鋇等；第三類是有機(jī)壓電材料，是新型的壓電材料,如聚偏二氯乙烯等。626

11、什么叫正壓電效應(yīng)？什么叫逆壓電效應(yīng)？常用壓材料有哪幾種?答：某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。反之,在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體,如石英晶體、酒石酸鉀鈉等;另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體,如鈦酸鋇等；第三類是有機(jī)壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氯乙烯等。