压电式传感器习题.doc

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1、第6章压电式传感器6.1什么是正压电效应？什么是逆压电效应？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。在这些电介质的一定方向上施加机械力二产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比。当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对

2、位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。6.2压电材料的主要特性参数有哪些？比较三类压电材料的应用特点。答：压电材料主要特性有：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。（1）压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。（2）压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成

3、本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。（3）新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。6.3压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。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？4答：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接。并联：将两个压电元件的负端粘结在一起，中

4、间插入金属电极作为压电元件连接时的负极，将两边连接起来作为连接件的正极，如下图所示。并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。并联时，输出电容为单电容的两倍，极板上电荷量是单片的两倍，但输出电压与单片相等。串联：将两个压电元件的不同极性粘结在一起，如下图。串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出的场合。串联时输出总电容为单片电容的一半，输出电荷与单片电荷相等，输出电压是单片的两倍。6.4有一压电晶体，其面积S为20mm2，厚度d为10mm，当受到压力p=10MPa作用时，

5、求产生的电荷量及输出电压：(1)压电晶体为0度x切型的纵向石英晶体；(2)压电晶体为利用纵向效应的BaTiO3。解：由题意知，压电晶体受力为F=pS=10×106×20×10-6=200N（1）受力后产生的电荷量为Q=d11F=2.31×10-12×200=462×10-12C=462pC压电晶体的电容量为4输出电压（2）利用纵向效应的BaTiO3时，受力后产生的电荷量为Q=d33F=190×10-12×200=38200×10-12C=3.8×10-8Cd33=190×10-12C/N为利用纵向效应的BaTiO3的压电系数查文献，B

6、aTiO3的相对介电常数εr=1900等效电容输出电压6.5用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为2.5pC/g，电荷放大器灵敏度为80mV/pC，当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为4V，试求该机器的振动加速度。(g为重力加速度)解：由题意知，振动测量系统（压电式加速度计加上电荷放大器）的总灵敏度K=Kq•Ku=2.5pC/g×80mV/pC=200mV/g=Uo/a式中，Uo为输出电压；a为振动系统的加速度。则当输出电压Uo=4V时，振动加速度为a=Uo/K=4/2×10-3=20g=196m

7、/s6.6一只x切型的石英晶体压电元件，其，相对介电常数，横截面积A=5cm2，厚度t=0.5cm。求：（1）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为什么？若沿电轴方向受Fx=9.8N的压力作用时两电级间输出电压值为多大？（2）若此元件与高输入阻抗运放连接时连接电缆的电容为Cc=4pF4，该压电元件的输出电压值为多大？解：（1）沿石英晶体电轴方向施加力的作用，产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。对于x切型的石英晶体压电元件，纵向受力时，产生的电荷量为压电元件的电容量为两电极间的输出电压值为（2）此元件与高输入阻抗运放连接

8、时，连接电缆的电容与压电元件本身的电容相并联，输出电压将改变为6.7某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度t=0.2mm，圆片半径r=1cm，相对介电常数εr=4.5，x切型d11=2.31×10-12C/N。当