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第7章 压电式传感器

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第7章 压电式传感器
一、单项选择题
1、对石英晶体，下列说法正确的是（ ）。
A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。
B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。
C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。
D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。
2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（ ）
A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好
B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好
C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好
D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好
3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（ ）
A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半
B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍
C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍
D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍
4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（ ）
A. 串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同
B. 串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同
C. 串联时电荷量增大一倍，电容量不变
D. 串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半
5、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（ ）原理。
A.磁阻效应 B. 压阻效应
C. 正压电效应 D.逆压电效应
6、压电陶瓷传感器与压电石英晶体传感器的比较是（ ）。
A．前者比后者灵敏度高 B．后者比前者灵敏度高
C．前者比后者性能稳定性好 D．前者机械强度比后者的好
7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（ ）。
A．晶体厚度成反比 B．晶体面积成正比
C．作用在晶片上的压力成正比 D．剩余极化强调成正比
8、压电式传感器目前多用于测量（ ）。
A．静态的力或压力 B．动态的力或压力
C．位移 D．温度
9、压电式加速度传感器是适合测量下列哪种信号（ ）。
A. 适于测量任意 B. 适于测量直流
C. 适于测量缓变 D. 适于测量动态
10、石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（ ）。
A．产生纵向压电效应 B. 产生横向压电效应
C．不产生压电效应 D. 产生逆向压电效应
11、在运算放大器放大倍数很大时，压电传感器输入电路中的电荷放大器的输出电压与
（ ）成正比。
A．输入电荷 B.反馈电容
C．电缆电容 D.放大倍数
12、石英晶体在沿电轴X方向的力作用下会（ ）
A．不产生压电效应 B. 产生逆向压电效应
C. 产生横向压电效应 D．产生纵向压电效应
13、关于压电式传感器中压电元件的连接，以下说法正确的是（ ）
A．与单片相比，并联时电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电压不变
B. 与单片相比，串联时电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电压增大1倍
C．与单片相比，并联时电荷量不变、电容量减半、输出电压增大1倍
D. 与单片相比，串联时电荷量不变、电容量减半、输出电压不变

二、多项选择题
1、压电晶体式传感器其测量电路常采用（ ）。
A. 频率放大器 B. 电荷放大器
C. 电流放大器 D. 功率放大器
2、压电式传感器是高阻抗传感器，要求前置放大器的输入阻抗（ ）。
A 很大 B 很低 C 不变 D 随意
3、以下因素在选择合适的压电材料时必须考虑的有：（ ）
A.转换性能 B.电性能 C.时间稳定性 D.温度稳定性

三、填空题
1、压电式传感器是以某些介质的 作为工作基础的。
2、将电能转变为机械能的压电效应称为 。
3、石英晶体沿 方向施加作用力不会产生压电效应，没有点电荷产生。
4、压电陶瓷需要有 和 的共同作用才会具有压电效应。
5、压电式传感器可等效为一个 和一个 并联，也可等效为一
个与 相串联的电压源。
6、压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己 方
向，经过 的压电陶瓷才具有压电效应。
7、压电式传感器是一种典型的 传感器（或发电型传感器），其以某些电介质的
为基础，来实现非电量电测的目的。
8、压电式传感器的工作原理是基于某些 材料的压电效应
9、用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的 与作用在晶面上的压
强成正比，而与晶片 和面积无关。
10、沿着压电陶瓷极化方向加力时，其 发生变化，引起垂直于极化
方向的平面上 的变化而产生压电效应。
11、压电式传感器具有体积小、结构简单等优点，但不能测量
的被测量。特别是不能测量 。
12、压电式传感器使用 放大器时，输出电压几乎不受联接电缆长度变化的影
响。
13、压电式传感器在使用电压前置放大器时，连接电缆长度会影响系统
；而使用电荷放大器时，其输出电压与传感器的 成正比。
14、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有 和
两种形式。
15、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符
号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为 效
应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称
效应。
16、石英晶体的X轴称为 _，垂直于X轴的平面上 最强；Y轴称为
，沿Y轴的 最明显；Z轴称为光轴或中性轴，Z轴方向上
无压电效应。
17、压电效应将 转变为 ，逆压电效应将 转化为 。
18、压电材料的主要特性参数有： 、 、 、 、
及 。（任选4个做填空。）

四、简答题
1、什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？
2、石英晶体x、y、z轴的名称及其特点是什么？
3、简述压电陶瓷的结构及其特性？
4、画出压电元件的两种等效电路。
5、压电元件在使用时常采用多片串接或并接的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电
荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？
6、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？
7、简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。
8、什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电材料有哪些？
9、压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？
10、为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？
11、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？
12、试说明压电陶瓷的敏感机理。
13、试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应。
14、试从材料特性、灵敏度、稳定性等角度比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应。
15、画出压电式元件的并联接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的关系，并说明它
的适用场合？
16、画出压电式元件的串联接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的关系，并说明它
的适用场合？

四、计算题
1、压电式加速度传感器与电荷放大器联接，电荷放大器又与函数记录仪联接。已知：传感
器的电荷灵敏度kq=100(pC/g)，反馈电容Cf=0.01(μF),被测加速度a=0.5g。求：
(1)电荷放大器的输出电压是多少?电荷放大器的灵敏度是多少?
(2)若函数记录仪的灵敏度kg=2mm/mV，求测量系统总灵敏度k0.
2、一压电式力传感器，将它与一只灵敏度Sv可调的电荷放大器联接，然后接到灵敏度为
Sx=20mm/v的光线示波器上记录，现知压电式压力传感器灵敏度为Sp=5pc/Pa，该测试系统
的总灵敏度为S=0.5mm/Pa，试问：
（1）电荷放大器的灵敏度Sv应调为何值(v/Pc)?
（2）用该测试系统测40Pa的压力变化时，光线示波器上光点的移动距离是多少？
3、石英晶体加速计及电荷放大器测量机械振动，已知加速度计灵敏度为5pc/g，电荷放大
器灵敏度为50mv/pc，当机器达到最大加速度时的相应输出电压幅值为2V，试求机械的振动
加速度(单位g)。

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压电式传感器的测量电路

压电式传感器的测量电路

目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi） O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。
传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计

传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计

课程设计说明书题目：压电式加速度传感器的设计学院（系）：电气工程学院课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

目录示例目录第1章摘要 (1)第2章引言 (2)第3章电路仿真及准备作 (3)第4章压电式加速度传感器的参数设计及计算 (12)4.1 结构设计 (12)4.2 电容设计与计算 (12)4.3 其他参数的计算 (12)第5章误差分析 (13)第6章结论 (14)心得体会 (14)参考文献 (15)第一章摘要传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。

传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。

现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。

传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。

压电式传感器是基于压电效应的传感器。

压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。

经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。

压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

第二章引言压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。

电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。

传感器第四版课后答案

传感器第四版课后答案

传感器第四版课后答案【篇一：《传感器》第四版唐文彦习题答案】>1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。

它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）。

2、传感器动特性取决于什么因素？答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节（接触环节、模拟环节、数字环节等）和不同形式的输入量（正弦、阶跃、脉冲等）其动特性和性能指标不同。

3、某传感器给定相对误差为2%fs，满度值输出为50mv，求可能出现的最大误差。

并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。

解：∵ ???myfs?10%0；∴ ?m???yfs?100%?1mv若: yfs1??11yfs 则: ??m?100%??100%?4% 2yfs125?11yfs 则: ??m?100%??100%?16% 8yfs26.25若: yfs2?由此说明,在测量时一般被测量接近量程(一般为量程的2/3以上),测得的值误差小一些。

解：将30dy/dt?3y?0.15x化为标准方程式为：10dy/dt?y?0.05x 与一阶传感器的标准方程：?dy?y?kx 比较有： dt???10(s) ?0k?0.05(mv/c)?输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。

解：二阶传感器频率特性(p14-1—30式)∵ k(?)?k(1???)(2???)2222∴ ??k?k(?)1???3% 2222k(1???)(2???)??0?2?f0?125.6khz?1??8?s式中：??? ?0?????0.1则有：?1(1???)?(2???)12222222?3%?3%?3%?1?(1???)?(2???)21?1???0.03?2222(1???)?(2???)??1?1??0.032222?(1???)?(2?? ?)?2222??(1???)?(2???)?1/1.03?2222??(1???)?(2???)?1/0.972222??(1???)?(2???)?0.943?2222??(1???)?(2???)?1.0632244??1?1.96??????0.943?2244??1?1.96??????1,063222??(0.98???)?0.903?222 ??(0.98???)?1.023?0.98??2?2?0.95 (1)??220.98????1.011(2)??由（1）式：22??0.98????0.95?22??0.98?????0.95 ??1?21.7khz???2?173. 7khz由（2）式：22??0.98????1.011?22??0.98?????1.011 ??1?0???2?176.3khz即：?0???21.7khz??173.7khz???176.3khz ?取：0???21.7khz则有：0?f?21.7khz/2??3.44khz第二章思考题与习题1、何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？答：（1）当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。

压电式传感器ppt课件

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ppt精选版
1
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
一、压电效应 二、压电材料 三、石英晶体的压电机理 四、压电陶瓷的压电机理
ppt精选版
2
第5章 压电式传感器
一、压电效应
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种 材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到 不带电状态，这种现象被称为压电效应。
所以石英是理想的压电传感器的压电材料。
天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和 制作标准传感器。
② 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。
例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等， 还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当 材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
5.1 压电式传感器的工作原理 5.2 压电材料的主要特性 5.3 压电元件常用的结构形式 5.4 压电式传感器的信号调理电路 5.5 压电式传感器的应用
（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。
这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
压电陶瓷元件