第5章压电式传感器力F电荷Q.

图5-5 Y轴方向受压
如果Z轴方向受力时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故 表面不呈现电荷，没有压电效应。
第三节
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是多晶体，每个晶粒有自发极化的电畴， 每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电 畴（如图5-6所示）。电畴间边界称畴壁。相邻不同电 畴间自发极化强度取向有一定夹角（与晶体结构有 关）。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列， 其总极化强度为0，此时受力则无压电效应。 人工制造的多晶体压电材料，由无数细微的单晶组 成。极化方向杂乱无章，压电陶瓷材料整体对外不显 极化方向，各向同性。 若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温 度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用 下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极 化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具 有良好的压电特性。
QK Usc= Ca Co Ci (1 k )Cf
。
（1+K） 〉〉 Cf
Ca Co Ci
Q QK Cf (1 K )Cf
∴Usc=-
由上式得：输出电压Usc与电缆电容Co无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的 优点。
并
压电元件连接方式：
→ 电荷增加一倍，电容量也增加一倍，输出电
第二节
石英晶体的压电效应
一块完整单晶体，外形都构成一个凸多面体。围成凸多面体的面叫 晶面。如图5-2所示。
Z
z
C
y
Y
X
x
图5-2 石英晶体的外形及坐标轴
Z轴是晶体的对称轴，光线沿它通过晶体不产生双折 射现象，光轴（中性轴），该轴方向上没有压电效应； X轴：称电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著；Y 轴：称机械轴，在电场作用下，沿此轴方向的机械变形 最显著。 从晶体上切下一个平行六面体（矩形片），让它的 三对平行面分别平行于X、Y、Z轴（石英晶体切型中的 一种）。 沿X轴加压力产生的压电效应称纵向压电效应，沿Y轴 加压力产生的压电效应称横向压电效应。如图5-3所示。 若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的 位置与施加压力时相同，但电荷的符号相反。

机电一体化技术（航空电气方向）专业《检测技术及仪表》形成性考核作业册姓名_________________学号_________________分校_ _ _ __信息技术与机电工程系2013年9月《检测技术及仪表》形成性考试作业一成绩__________教师签名__________日期__________第1章绪论思考题与习题1-1.单项选择题1）用万用表交流电压档(频率上限仅为5kHz)测量频率高达100kHz、10V左右的高频电压，发现示值还不到2V，该误差属于 B 。

用该表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为 1.7V，该误差属于 A 。

A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差1-2. 指出下列情况哪些属于随机误差，哪些属于系统误差，或两者皆有？1）电压表刻度不均匀；2）米尺因温度改变而伸缩；3）天平未调水平；4）游标卡尺零点不准；5）电子秤内部温度与环境不一致产生温漂；6）加热丝的电阻随温度变化对恒温器温度带来的误差；7）电压表视差；8）电桥检流计的零点漂移；9）欧姆表的接触电阻；10）电网电压的变化对恒温器加热功率带来的误差。

答：1、系统；2、系统；3、系统；4、系统；5、系统+随机；6、系统；7、随机；8、系统；9、系统+随机；10、随机。

1-3. 某压力表准确度为 2.5级，量程为0～1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差γm。

2）可能出现的最大绝对误差△m为多少千帕？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。

答：1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即γm=±2.5%2）△m=γmAm=±2.5%×1.5Mpa=±0.0375Mpa=±37.5kPa3）γx=△m×100%/Ax=±0.0375×100%/0.70=±5.36%1-4. 现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为 1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？答：经计算，用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±1.88%和±1.25%。

第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。

2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。

3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。

4．知道敏感元件的作用。

【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。

传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。

将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。

各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。

2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。

如图5.1-1所示。

敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。

敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。

转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。

转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。

3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。

如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。

（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。

传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.3 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱， 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中， 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过 阻抗交换以后， 阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号 输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键 其中， 输入到指示仪表或记录器中。 其中 在于高阻抗输入的前置放大器。） 在于高阻抗输入的前置放大器。）
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好， 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此， 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为此 ， 在力传递系统中加入预加力，称预载。 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低 压力使用中的非线性外， 压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载 表面的间隙 ， 提高刚度 。 特别是， 后才能用压电传感器测量拉力和拉、 后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力 和扭矩。 和扭矩。
（5-20） 20）