傳感器原理與應(yīng)用習(xí)題_第6章壓電式傳感器

1、《傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用》習(xí)題集與部分參考答案習(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(shū)第6章壓電式傳感器壓電式傳感器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(chǎng)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σ)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

2、性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場(chǎng)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度E成正比：S=dtE式中dt——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。62壓電材料的主要特性參數(shù)有哪些？試比較三類(lèi)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

3、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

4、器測(cè)試系統(tǒng)。63試述石英晶片切型（）的含意。???4550yxlt64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(shuō)明其組合的方式和適用場(chǎng)合。答：（1）并聯(lián)：C′＝2C，q′=2qU′=U因?yàn)檩敵鲭娙荽螅敵鲭姾纱?，所以時(shí)間常數(shù)，適合于測(cè)量緩變信號(hào)，且以電荷作為輸出的場(chǎng)合。（2）串聯(lián):q′=qU′=UC′=C2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(hào)，且測(cè)量電路輸出阻抗很高的場(chǎng)合。65欲設(shè)計(jì)圖620所示

5、三向壓電加速度傳感器，用來(lái)測(cè)量x、y、z三正交方向的加速度，擬選用三組雙晶片組合BaTiO3壓電陶瓷作壓電組件。試問(wèn)：應(yīng)選用何種切型的晶片？又如何合理組合？并用圖示意。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

6、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(hào)與輸入作用力間的線性關(guān)系因此需要測(cè)量電路具有無(wú)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(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路一定的電流。故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)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(wú)壓電效應(yīng)。答：電軸電軸：x軸穿過(guò)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)軸機(jī)

7、軸：y軸垂直六棱柱面。在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；光軸光軸：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(guò)時(shí)，無(wú)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

8、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P1＋P2＋P3＝0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX0；在Y、Z方向上的分量為（P1P2P3）Y=0、（P1P2P3）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（FX＞0）作用時(shí)，電極矩的三個(gè)分量為（P1P2P3）X0；（P1P2P3）Y=0；（P1P2P3）Z=0，則在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出

9、現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時(shí)，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似（1分）。晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，故沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。614簡(jiǎn)述壓電陶瓷特性，作為壓電元件比較它與石英晶體有哪些特點(diǎn)？答：石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)，沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但它具有良