【正文】 ：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(jī)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，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。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(fù)電荷中心的相對位移而導(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：時間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高，在高溫、強(qiáng)輻射條件下，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器測試系統(tǒng)。63 試述石英晶片切型（）的含意。64 為了提高壓電式傳感器的靈敏度，設(shè)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(diǎn)：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。65 欲設(shè)計圖620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BaTiO3壓電陶瓷作壓電組件。試問：應(yīng)選用何種切型的晶片？又如何合理組合？并用圖示意。66 原理上，壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，但實(shí)用中，壓電式傳感器可能用來測量準(zhǔn)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(shí)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(dāng)采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，就可測準(zhǔn)靜態(tài)力。67 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(diǎn)及其如何合理選擇回路參數(shù)？68 已知ZK2型阻抗變換器的輸入阻抗為2000MΩ，測量回路的總電容為1000pF。試求：當(dāng)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。69 試證明壓電加速度傳感器動態(tài)幅值誤差表達(dá)式：高頻段：；低頻段：。若測量回路的總電容C=1000pF，總電阻R=500MΩ，傳感器機(jī)械系統(tǒng)固有頻率=30kHz，相對阻尼系數(shù)ξ=，求幅值誤差在2%以內(nèi)的使用頻率范圍。610 試選擇合適的傳感器：（1），欲測頻率為400~500Hz的振動，應(yīng)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，欲測頻率為15kzHz的振動，應(yīng)選哪一只？為什么？611 一只壓電式壓力傳感器靈敏度為9pC/bar，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(dāng)壓力變化35bar時，試計算記錄紙上的偏移量。*612 什么是正壓電效應(yīng)？什么是逆壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)有哪些種類？壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)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(dāng)外力去掉后，恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；而當(dāng)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(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨之消失，稱為逆壓電效應(yīng)。壓電材料有：石英晶體、一系列單晶硅、多晶陶瓷、有機(jī)高分子聚合材料結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)：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(yù)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(shí)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(bǔ)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。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壓電效應(yīng)。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(yīng)最強(qiáng)；機(jī)軸：y軸垂直六棱柱面。在電場作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；Y+++XFX=0P1P2P3光軸：z軸晶體上、下晶錐項點(diǎn)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(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，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120186。夾角的偶極矩PPP3，如圖所示。此時正負(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）作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X0；在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0、（P1+P2+P3）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，電極矩的三個分量為（P1+P2+P3）X0；（P1+P2+P3）Y=0；（P1+P2+P3）Z=0，則在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，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，因為晶體沿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(yīng)，但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。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(qiáng)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(qiáng)的剩余極化。當(dāng)極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強(qiáng)度將隨之發(fā)生變化，從而使一定表面分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。在極化方向上壓電效應(yīng)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(yīng)減弱。615 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(diǎn)。說明電壓放大器與電荷放大器的優(yōu)缺點(diǎn)，各自要解決什么問題？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。616 用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機(jī)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(jī)器振動加速度。617 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(yīng)？618 電荷放大器所要解決的核心問題是什么？試推導(dǎo)其輸入輸出關(guān)系。619 簡述電壓試加速傳感器的工作原理？620 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(jìn)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。621 設(shè)計壓電式傳感器檢測電路的基本考慮點(diǎn)是什么？為什么？答：基本考慮點(diǎn)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。622 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)。623 壓電傳感器的輸出信號的特點(diǎn)是什么？它對放大器有什么要求？放大器有哪兩種類型？答：特點(diǎn)：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)）624 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。625 常用壓電材料有哪幾種？答：應(yīng)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(jī)壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氯乙烯等。626　什么叫正壓電效應(yīng)？什么叫逆壓電效應(yīng)？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，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。應(yīng)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(jī)壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氯乙烯等?！秱鞲衅髟砼c應(yīng)用》及《傳感器與測量技術(shù)》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，及其他參考書第7章 熱電式傳感器71 熱電式傳感器有哪幾類？它們各有什么特點(diǎn)？答：熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它可分為兩大類：熱電阻傳感器和熱電偶傳感器。熱電阻傳感器的特點(diǎn)：（1)高溫度系數(shù)、高電阻率。(2)化學(xué)、物理性能穩(wěn)定。(3)良好的輸出特性。(4).良好的工藝性，以便于批量生產(chǎn)、降低成本。熱電偶傳感器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單（2）制造方便（3）測溫范圍寬（4）熱慣性?。?）準(zhǔn)確度高（6）輸出信號便于遠(yuǎn)傳72 常用的熱電阻有哪幾種？適用范圍如何？答：鉑、銅為應(yīng)用最廣的熱電阻材料。鉑容易提純，在高溫和氧化性介質(zhì)中化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，制成的鉑電阻輸出－輸入特性接近線性，測量精度高。銅在50～150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出－輸入特性接近線性，價格低廉。當(dāng)溫度高于100℃時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有侵蝕性的介質(zhì)中工作。73 熱敏電阻與熱電阻相比較有什么優(yōu)缺點(diǎn)？用熱敏電阻進(jìn)行線性溫度測量時必須注意什么問題？74 利用熱電偶測溫必須具備哪兩個條件？答：（1）用兩種不同材料作熱電極（2）熱電偶兩端的溫度不能相同75 什么是中間導(dǎo)體定律和連接導(dǎo)體定律？它們在利用熱電偶測溫時有什么實(shí)際意義？答：中間導(dǎo)體定律：導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當(dāng)引入第三導(dǎo)體時，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，則第三導(dǎo)體對回路總熱電勢無影響。利用這個定律可以將第三導(dǎo)體換成毫伏表，只要保證兩個接點(diǎn)溫度一致，就可以完成熱電勢的測量而不影響熱電偶的輸出。連接導(dǎo)體定律：回路的總電勢等于熱電偶電勢EAB(T,T0)與連接導(dǎo)線電勢EA’B’(Tn,T0)的代數(shù)和。連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測量的理論基礎(chǔ)。76 什么是中間溫度定律和參考電極定律？它們各有什么實(shí)際意義？答：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)這是中間溫度定律表達(dá)式，即回路的總熱電勢等于EAB(T,Tn)與EAB(Tn,T0)的代數(shù)和。Tn為中間溫度。中間溫度定律為制定分度表奠定了理論基礎(chǔ)。77 鎳絡(luò)鎳硅熱電偶測得介質(zhì)溫度800℃，若參考端溫度為25℃，問介質(zhì)的實(shí)際溫度為多少？答：t=介質(zhì)溫度+k*參考溫度（800+1*25=825）78 熱電式傳感器除了用來測量溫度外，是否還能用來測量其他量？舉例說明之。79 實(shí)驗室備有鉑銠鉑熱電偶、鉑電阻器和半導(dǎo)體熱敏電阻器，今欲測量某設(shè)備外殼的溫度。已知其溫度約為300~400℃，要求精度達(dá)177。2℃，問應(yīng)選用哪一種？為什么？圖7—10 用浸入式熱電偶測量熔融金屬示意圖1 —鋼水包；2—鋼熔融體； 3—熱電極A 、 B4 、7—補(bǔ)償導(dǎo)線接線柱 5—補(bǔ)償導(dǎo)線6—保護(hù)管8—毫伏表10 —毫伏表接線柱*710在煉鋼廠中，有時直接將廉價熱電極（易耗 品，例如鎳鉻、鎳硅熱偶絲，時間稍長即熔化）插入鋼水中測量鋼水溫度，如圖 710所示。試說明測量鋼水溫度的基本原理？為什么不必將工作端焊在一起？ 要滿足哪些條件才不影響測量精度？采用上述方法是利用了熱電偶的什么定律？如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料行嗎？為什么？ 答：測量鋼水溫度的基本原理是利用了熱電效應(yīng)；因為鋼水是導(dǎo)體，又處在同一個溫度下，把鋼水看作是第三導(dǎo)體接入，利用了熱電偶的導(dǎo)體接入定律；如果被測物不是鋼水，而是熔化的塑料不行，因為，塑料不導(dǎo)電，不能形成熱電勢。*711 用鎳鉻鎳硅（K）熱電偶測溫度，已知冷端溫度為40℃， ，求被測點(diǎn)溫度？答：查K分度表，熱電偶在40℃時相對于0℃的熱電勢為：