CH6壓電式傳感器（含答案） 《傳感器與檢測技術(shù)（第2版）》習題及解答

1、第6章 壓電式傳感器一、單項選擇題1、對石英晶體，下列說法正確的是（ ）。a. 沿光軸方向施加作用力，不會產(chǎn)生壓電效應，也沒有電荷產(chǎn)生。b. 沿光軸方向施加作用力，不會產(chǎn)生壓電效應，但會有電荷產(chǎn)生。c. 沿光軸方向施加作用力，會產(chǎn)生壓電效應，但沒有電荷產(chǎn)生。d. 沿光軸方向施加作用力，會產(chǎn)生壓電效應，也會有電荷產(chǎn)生。2、石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應對比正確的是（ ）a. 壓電陶瓷比石英晶體的壓電效應明顯，穩(wěn)定性也比石英晶體好b. 壓電陶瓷比石英晶體的壓電效應明顯，穩(wěn)定性不如石英晶體好c. 石英晶體比壓電陶瓷的壓電效應明顯，穩(wěn)定性也比壓電陶瓷好d. 石英晶體比壓電陶瓷的壓電效應明顯，穩(wěn)定性不如壓

2、電陶瓷好3、兩個壓電元件相并聯(lián)與單片時相比說法正確的是（ ） a. 并聯(lián)時輸出電壓不變，輸出電容是單片時的一半b. 并聯(lián)時輸出電壓不變，電荷量增加了2倍c. 并聯(lián)時電荷量增加了2倍，輸出電容為單片時2倍d. 并聯(lián)時電荷量增加了一倍，輸出電容為單片時的2倍4、兩個壓電元件相串聯(lián)與單片時相比說法正確的是（ ）a. 串聯(lián)時輸出電壓不變，電荷量與單片時相同b. 串聯(lián)時輸出電壓增大一倍，電荷量與單片時相同c. 串聯(lián)時電荷量增大一倍，電容量不變d. 串聯(lián)時電荷量增大一倍，電容量為單片時的一半5、用于厚度測量的壓電陶瓷器件利用了（ ）原理。a.磁阻效應 b. 壓阻效應c. 正壓電效應 d.逆壓電效應6、壓電

3、陶瓷傳感器與壓電石英晶體傳感器的比較是（）。a前者比后者靈敏度高 b后者比前者靈敏度高c前者比后者性能穩(wěn)定性好 d前者機械強度比后者的好7、壓電石英晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度與（ ）。a晶體厚度成反比 b晶體面積成正比c作用在晶片上的壓力成正比 d剩余極化強調(diào)成正比8、壓電式傳感器目前多用于測量（ ）。a靜態(tài)的力或壓力 b動態(tài)的力或壓力c位移 d溫度9、壓電式加速度傳感器是適合測量下列哪種信號（ ）。a. 適于測量任意 b. 適于測量直流 c. 適于測量緩變 d. 適于測量動態(tài)10、石英晶體在沿機械軸y方向的力作用下會（ ）。a產(chǎn)生縱向壓電效應 b. 產(chǎn)生橫向壓電效應c不產(chǎn)生壓電效應 d. 產(chǎn)生

4、逆向壓電效應11、在運算放大器放大倍數(shù)很大時，壓電傳感器輸入電路中的電荷放大器的輸出電壓與（ ）成正比。a輸入電荷 b.反饋電容c電纜電容 d.放大倍數(shù)12、石英晶體在沿電軸x方向的力作用下會（ ）a不產(chǎn)生壓電效應 b. 產(chǎn)生逆向壓電效應 c. 產(chǎn)生橫向壓電效應 d產(chǎn)生縱向壓電效應 13、關(guān)于壓電式傳感器中壓電元件的連接，以下說法正確的是（ ）a與單片相比，并聯(lián)時電荷量增加1倍、電容量增加1倍、輸出電壓不變 b. 與單片相比，串聯(lián)時電荷量增加1倍、電容量增加1倍、輸出電壓增大1倍c與單片相比，并聯(lián)時電荷量不變、電容量減半、輸出電壓增大1倍 d. 與單片相比，串聯(lián)時電荷量不變、電容量減半、輸出電

5、壓不變 二、多項選擇題1、壓電晶體式傳感器其測量電路常采用（ ）。a. 頻率放大器 b. 電荷放大器c. 電流放大器 d. 功率放大器2、壓電式傳感器是高阻抗傳感器，要求前置放大器的輸入阻抗（ ）。a 很大 b 很低 c 不變 d 隨意3、以下因素在選擇合適的壓電材料時必須考慮的有：（ ）a.轉(zhuǎn)換性能 b.電性能 c.時間穩(wěn)定性 d.溫度穩(wěn)定性4、以下材料具有壓電效應的有：（ ） a.所有晶體 b.鈦酸鋇 c.鋯鈦酸鉛 d.石英三、填空題1、壓電式傳感器是以某些介質(zhì)的 作為工作基礎的。2、將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的壓電效應稱為 。3、石英晶體沿 方向施加作用力不會產(chǎn)生壓電效應，沒有點電荷產(chǎn)生。4、壓

6、電陶瓷需要有 和 的共同作用才會具有壓電效應。5、壓電式傳感器可等效為一個 和一個 并聯(lián)，也可等效為一個與 相串聯(lián)的電壓源。6、壓電陶瓷是人工制造的多晶體，是由無數(shù)細微的電疇組成。電疇具有自己 方向，經(jīng)過 的壓電陶瓷才具有壓電效應。7、壓電式傳感器是一種典型的 傳感器（或發(fā)電型傳感器），其以某些電介質(zhì)的 為基礎，來實現(xiàn)非電量電測的目的。8、壓電式傳感器的工作原理是基于某些 材料的壓電效應9、用石英晶體制作的壓電式傳感器中，晶面上產(chǎn)生的 與作用在晶面上的壓強成正比，而與晶片 和面積無關(guān)。10、沿著壓電陶瓷極化方向加力時，其 發(fā)生變化，引起垂直于極化方向的平面上 的變化而產(chǎn)生壓電效應。11、壓電式

7、傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但不能測量 的被測量。特別是不能測量 。12、壓電式傳感器使用放大器時，輸出電壓幾乎不受聯(lián)接電纜長度變化的影響。13、壓電式傳感器在使用電壓前置放大器時，連接電纜長度會影響系統(tǒng)；而使用電荷放大器時，其輸出電壓與傳感器的成正比。14、壓電式傳感器的輸出須先經(jīng)過前置放大器處理，此放大電路有 和兩種形式。15、某些電介質(zhì)當沿一定方向?qū)ζ涫┝Χ冃螘r內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后又恢復不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為效應；在介質(zhì)極化方向施加電場時電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，這種效應又稱 效應。16、石英晶體的x軸稱為 _，垂直于x軸的平面上 最強；y

8、軸稱為 ，沿y軸的 最明顯；z軸稱為光軸或中性軸，z軸方向上無壓電效應。17、壓電效應將 轉(zhuǎn)變?yōu)?，逆壓電效應將 轉(zhuǎn)化為 。18、壓電材料的主要特性參數(shù)有： 、 、 、 、 及 。（任選4個做填空。）19、壓電材料有三類：壓電晶體、壓電陶瓷和_ _。四、簡答題1、什么叫正壓電效應？2、什么是逆壓電效應？3、什么叫縱向壓電效應？4、什么叫橫向壓電效應？ 5、石英晶體x、y、z軸的名稱及其特點是什么？ 6、簡述壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及其特性？7、畫出壓電元件的兩種等效電路。8、壓電元件在使用時常采用多片串接或并接的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應用場合？9、壓電式

9、傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點？10、簡述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時各自的特點。11、壓電材料有哪些？ 12、壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應用特點是什么？能否用壓電傳感器測量靜態(tài)壓力？13、為什么壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量？14、設計壓電式傳感器檢測電路的基本考慮點是什么？為什么？15、試說明壓電陶瓷的敏感機理。16、試比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應。17、試從材料特性、靈敏度、穩(wěn)定性等角度比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應。18、畫出壓電式元件的并聯(lián)接法，試述其輸出電壓、輸出電荷和輸出電容的關(guān)系，并說明它的適用場合？19、畫出壓電式元件的串聯(lián)接法，試述其輸出電壓、輸出電

10、荷和輸出電容的關(guān)系，并說明它的適用場合？20、請簡要說明一下什么是電荷放大器。四、計算題1、壓電式加速度傳感器與電荷放大器聯(lián)接，電荷放大器又與函數(shù)記錄儀聯(lián)接。已知：傳感器的電荷靈敏度kq=100(pc/g)，反饋電容cf=0.01(f),被測加速度a=0.5g。求：(1)電荷放大器的輸出電壓是多少?電荷放大器的靈敏度是多少?(2)若函數(shù)記錄儀的靈敏度kg=2mm/mv，求測量系統(tǒng)總靈敏度k0.2、一壓電式力傳感器，將它與一只靈敏度sv可調(diào)的電荷放大器聯(lián)接，然后接到靈敏度為sx=20mm/v的光線示波器上記錄，現(xiàn)知壓電式壓力傳感器靈敏度為sp=5pc/pa，該測試系統(tǒng)的總靈敏度為s=0.5mm/

11、pa，試問：（1）電荷放大器的靈敏度sv應調(diào)為何值(v/pc)?（2）用該測試系統(tǒng)測40pa的壓力變化時，光線示波器上光點的移動距離是多少？3、石英晶體加速計及電荷放大器測量機械振動，已知加速度計靈敏度為5pc/g，電荷放大器靈敏度為50mv/pc，當機器達到最大加速度時的相應輸出電壓幅值為2v，試求機械的振動加速度(單位g)。第6章 壓電式傳感器一、單項選擇題題號答案知識點1a壓電材料2b壓電材料3d壓電元件的連接4b壓電元件的連接5d壓電效應6a壓電材料7c壓電材料8b測量電路9d典型應用10b壓電材料11a測量電路12d壓電材料13a壓電元件的連接二、多項選擇題題號答案知識點1abcd測

12、量電路2abcd測量電路3abcd壓電材料4bcd壓電材料三、填空題題號答案知識點1壓電效應壓電效應2逆壓電效應壓電效應3z軸/光軸壓電材料4外電場；壓力壓電材料5電荷源q；電容器c；電容測量電路6自發(fā)的極化；極化處理壓電材料7有源；壓電效應壓電效應8壓電壓電效應9電荷量；幾何尺寸壓電材料10晶粒的極化方向；壓電特性 壓電材料11隨時間變化緩慢；靜態(tài)量測量電路12電荷測量電路13輸出電壓；壓電系數(shù)測量電路14電荷放大器 ；電壓放大器測量電路15正壓電效應；逆壓電效應壓電效應16電軸；壓電效應；機械軸；機械變形壓電材料17機械能；電能；電能；機械能壓電效應18壓電系數(shù)；彈性系數(shù)；介電常數(shù)；機電耦

13、合系數(shù)；居里點；電阻壓電材料19橫向壓電材料四、簡答題1、 答：正壓電效應就是對某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象而使其出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。知識點：壓電效應2、答：當在片狀壓電材料的兩個電極面上加上交流電壓，那么壓電片將產(chǎn)生機械振動，即壓電片在電極方向上產(chǎn)生伸縮變形，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應，也稱為逆壓電效應。知識點：壓電效應3、答：沿石英晶體的x軸（電軸）方向受力產(chǎn)生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”。知識點：壓電材料4、答：沿石英晶體的y軸（機械軸）方向受力產(chǎn)生的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。知識點：壓電材料5、答：石英晶體的z軸：是縱向軸，稱為光軸，沿該方

14、向受力不會產(chǎn)生壓電效應。石英晶體的x軸：稱為電軸，壓電效應只在該軸的兩個表面產(chǎn)生電荷集聚。沿電軸方向的力作用于晶體時所產(chǎn)生的電荷量的大小與切片的幾何尺寸無關(guān)。石英晶體的y軸：是機械軸，沿機械軸方向的力作用于晶體時產(chǎn)生的電荷量大小q，與晶體切片的幾何尺寸有關(guān)。知識點：壓電材料6、答：壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。 在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，

15、從而使材料得到極化。外電場愈強， 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。 知識點：壓電材料7、答：知識點：等效電路8、答：并聯(lián)接法在外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。適宜測量慢變信號且以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法上、 下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。 適宜以電壓作輸出信號且測量電路輸入阻抗很高的場合。知識點：壓電元件的連接9、答：電

16、荷放大器的特點是：放大器的輸入阻抗極高，輸入端幾乎沒有分流，電荷只對反饋電容充電，充電電壓（反饋電容兩端的電壓）接近于放大器的輸出電壓。電荷放大器的輸出電壓o與電纜電容cc無關(guān)，而與q成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。由于q與被測壓力成線性關(guān)系，因此，輸出電壓與被測壓力成線性關(guān)系。知識點：測量電路10、答：傳感器與電壓放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比,但容易受電纜電容的影響。 傳感器與電荷放大器連接的電路,其輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比,電纜電容的影響小。知識點：測量電路11、答：壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機高分子聚合材料知識點：壓電材料12、

17、答：結(jié)構(gòu)和應用特點：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，兩片壓電芯片上必須有一定的預緊力，以保證壓電組件在工作中始終受到壓力作用，同時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關(guān)系,因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗。但實際上這是不可能的，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充，并給測量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動態(tài)測量。知識點：測量電路13、答：如作

18、用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會泄露，無法進行測量。所以壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量。知識點：測量電路14、答：基本考慮點是如何更好的改變傳感器的頻率特性，以使傳感器能用于更廣泛的領(lǐng)域。知識點：測量電路15、答：壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應的原理 極化前，存在許多自發(fā)極化的電疇 極化中，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場方向一致 極化后，有剩余極化強度 知識點：壓電材料16、答：石英晶體整個晶體是中性的，受外力作用而變形時，沒有體積變形壓電效應，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。壓電陶瓷是一種多晶鐵電體。原始的壓電陶瓷材料并不具有壓電性，必須在一定溫度下做極化處理，才能使其呈現(xiàn)出壓電性。所謂極化，就是以強電場使“電疇”規(guī)則排列，而電疇在極化電場除去后基本保持不變，留下了很強的剩余極化。 當極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強度將隨之發(fā)生變化，從而使一定表面分別產(chǎn)生正負電荷。 在極化方向上壓電效應最明顯。鐵電體的參數(shù)也會隨時間發(fā)生變化老化，鐵電體老化將使壓電效應減弱。 知識點：壓電材料17、答：石英晶體是單晶結(jié)構(gòu)，且不同晶向具有各異的物理特性。石英晶體受外力作用而變形時，產(chǎn)生壓電效應 。 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料