傳感器原理與應用習題_第6章壓電式傳感器

1、傳感器原理與應用習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6-1 何謂壓電效應?何謂縱向壓電效應和橫向壓電效應?答:一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅在電場力作用下,而且在機械力作用下,都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位 移 D(在 MKS 單位制中即電荷密度 與外應力張量 T 成正比: D = dT 式中 d 壓電常數(shù)矩陣。 當外力消失,電介質(zhì)又恢復不帶電原狀;當外力變向,電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應,或 簡稱壓電效應。若對上述電介質(zhì)施加電場作用時,同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心的相對位移而導致電介質(zhì)產(chǎn)生變 形,且其應變 S 與外電場強度 E

2、成正比: S=dt E 式中 d t 逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象稱為逆壓電 效應,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用特點。答:主要特性:壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機電耦合系數(shù)、電阻、居里點。壓電單晶:時間穩(wěn)定性好,居里點高,在高溫、強輻射條件下,仍具有良好的壓電性,且機械性能,如機 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用。 不足之處是質(zhì)地脆、抗機械和熱沖擊性差。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,利于廣泛應用,還具有熱 釋電性。新型壓電材料:既具有壓電特

3、性又具有半導體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器,又可用其半導體特 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)。 6-3 試述石英晶片切型(+45/50yxlt 的含意。6-4 為了提高壓電式傳感器的靈敏度, 設計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):C =2C , q =2q,U =U,因為輸出電容大,輸出電荷大,所以時間常數(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: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。6-5

4、 欲設計圖 6-20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 BaTiO 3壓電陶瓷作壓電組件。試問:應選用何種切型的晶片?又如何合理組合?并用圖示意。 6-6 原理上, 壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量, 但實用中, 壓電式傳感器可能用來測量準靜態(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。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時,就可測準靜態(tài)力。6-7

5、 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 1000pF 。 試求:當與壓電 加速度計相配,用來測量 1Hz 的低頻振動時產(chǎn)生的幅值誤差。6-9 試 證 明 壓 電 加 速 度 傳 感 器 動 態(tài) 幅 值 誤 差 表 達 式 :高 頻 段 :%1 (-=n H A ; 低 頻 段 :%1 (-=L L A 。若測量回路的總電容 C=1000pF,總電阻 R=500M,傳感器機械系統(tǒng)固有頻率 n f =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、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,應選哪一種?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, 應選哪一只?為什么?6-11 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計算系統(tǒng)總 的靈敏度; (3當壓力變化 3

7、5bar 時,試計算記錄紙上的偏移量。*6-12 什么是正壓電效應?什么是逆壓電效應?壓電效應有哪些種類?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?答:某些電介質(zhì)在沿一定的方向受到外力的作用變形時,由于內(nèi)部電極化現(xiàn)象同時在兩個表面上產(chǎn)生符號 相反的電荷,當外力去掉后,恢復到不帶電的狀態(tài);而當作用力方向改變時,電荷的極性隨著改變。晶體 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。反之,如對晶體施加一定變電場, 晶體本身將產(chǎn)生機械變形,外電場撤離,變形也隨之消失,稱為逆壓電效應。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結(jié)構(gòu)和應用特點

8、: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。6-13 石英晶體 X 、 Y

9、、 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。 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最強; 機軸 :y 軸垂直六棱柱面。在電場作用下,沿該軸方向的機械變形最明顯;光軸 :z 軸晶體上、下晶錐項點連線重合,也叫中性軸,光線沿該軸通過時,無折射及壓電效應。 石英晶體具有壓電效應,是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子 Si 4+和氧離子 O 2-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 Si 4+, “ -” 代表2O 2-。當作用力 F X =0時,正、負離子(即 Si 4+和 2O 2

10、-正好分布在正六邊形頂角上,形成三個互成 120º夾角的偶極矩 P 1、 P 2、 P 3,如圖所示。此時正負電荷中心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即 P 1+P 2+P 3=0 當晶體受到沿 X 方向的壓力(F X <0作用時,晶體沿 X 方向?qū)a(chǎn)生收縮,正、負離子相對位置隨之發(fā)生 變化。此時正、負電荷中心不再重合,電偶極矩在 X 方向的分量為 (P 1+P 2+P 3 X >0;在 Y 、 Z 方向上的 分量為(P 1+P 2+P 3 Y =0、(P 1+P 2+P 3 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。當晶體受到沿 X 方向

11、的拉力(F X >0作用時,電極矩的三個分量為(P 1+P 2+P 3 X <0;(P 1+P 2+P 3 Y =0;(P 1+P 2+P 3 Z =0,則在 X 軸的正向出現(xiàn)負電荷,在 Y 、 Z 方向則不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿 X (電軸 方向的力 F X 作用時,它在 X 方向產(chǎn)生正壓電效應,而 Y 、 Z 方向則不產(chǎn)生壓電效 應。晶體在 Y 軸方向力 F Y 作用下的情況與 F X 相似(1分。晶體在 Z 軸方向力 F Z 的作用下,因為晶體 沿 X 方向和沿 Y 方向所產(chǎn)生的正應變完全相同,故沿 Z (即光軸 方向的力 F Z 作用下,晶體不產(chǎn)生壓電效 應。6-14 簡述

12、壓電陶瓷特性,作為壓電元件比較它與石英晶體有哪些特點?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。 6-15

13、 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。說明電壓放大器與電荷放大 器的優(yōu)缺點,各自要解決什么問題?F X =0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。6-16 用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機器振動, 已知, 加速度計靈敏度為 5pc/g;電荷放大器靈敏 度為 50mv/p,最大加速度時輸出幅值 2v ,試求機器振動加速度。6-17 超聲波傳感器利用壓電材料制成發(fā)射器和接收器,說明它們各利用哪種壓電效應?6-

14、18 電荷放大器所要解決的核心問題是什么?試推導其輸入輸出關(guān)系。6-19 簡述電壓試加速傳感器的工作原理?6-20 為什么壓電傳感器通常都用來測量動態(tài)或瞬態(tài)參量?答:如作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。6-21 設計壓電式傳感器檢測電路的基本考慮點是什么?為什么?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。6-22 畫出 (111晶面和 <110>晶向。并計算 (111晶面內(nèi), <110>晶向的縱向壓阻系數(shù)和橫向壓阻系 數(shù)。6-23 壓電傳感器的輸出信號的特點是什么?

15、它對放大器有什么要求?放大器有哪兩種類型?答:特點: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)6-24 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;第三類是有機壓電材 料,是新型的壓電材料,如聚偏二氯乙烯等。6-26什么叫正壓電效應?什么叫逆壓電效應?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,內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在其表面上