《传感器及应用》压电式传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》压电式传感器-讲义 知识点一 基本工作原理 1、 压电效应 压电传感器的工作原理基于压电效应，某些材料在受到机械应力时会产生电荷。这种机械应力使材料发生形变，从而导致其内部电荷分布发生变化。 2、 压电材料 具有实用价值的压电材料基本上可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。 压电晶体是一种单品体，例如石英晶体、酒石酸钾钠等； 压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如钛酸钡、错钛酸铅、铌酸锶等； 有机压电材料属于新一代的压电材料，其中较为重要的有压电半导体和高分子压电材料。 3、 压电材料的主要特性指标 压电系数：它表示压电材料产生电荷与作用力的关系，一般为单位作用力下产生电荷的多少，单位为（库/牛）。 刚度：压电材料的刚度是决定其固有频率的重要参数。 介电常数：这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。 电阻：它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。 居里点：压电效应消失的温度转变点。 压电传感器的工作原理基于以下哪种效应（ ） A.光电效应 B.压电效应 C.霍尔效应 D.热电效应 【答案】B 【解析】 压电传感器的工作原理基于压电效应。压电效应是指某些材料在受到机械应力时会产生电荷，这种效应是压电传感器的核心工作机制。因此，正确答案是B。 1. 以下哪个参数决定压电材料的固有频率（ ） A.压电系数 B.介电常数 C.刚度 D.电阻 【答案】C 【解析】刚度是决定压电材料固有频率的重要参数。刚度越大，固有频率越高。因此，正确答案是C。 2. 以下哪种材料不属于压电晶体（ ） A.石英晶体 B.酒石酸钾钠 C.泥酸锶 D.钛酸钡 【答案】D 【解析】压电晶体包括石英晶体、酒石酸钾钠等单晶体材料。钛酸钡属于压电陶瓷，而不是压电晶体。压电陶瓷是一种人工制造的多晶体材料。因此，正确答案是D。 3. 压电陶瓷是以下哪种类型的材料（ ） A.单晶体 B.多晶体 C.有机材料 D.半导体材料 【答案】B 【解析】压电陶瓷是一种人工制造的多晶体材料，例如钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等。因此，正确答案是B。 1. 压电材料的压电系数表示什么关系（ ） A.电荷与温度 温度 B.电荷与作用力 C.作用力与温度 D.电荷与介电常数 【答案】B 【解析】压电系数表示压电材料产生电荷与作用力之间的关系，通常指单位作用力下产生电荷的多少，单位为库仑/牛顿（）。因此，正确答案是B。 2. 压电材料的介电常数主要影响传感器的哪个特性( ) A.工作频率的下限值 B.泄漏电流 C.固有频率 D.压电系数 【答案】A 【解析】介电常数是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。因此，正确答案是A。 3. 压电效应消失的温度转变点被称为（ ） A.熔点 B.沸点 C.居里点 D.临界点 【答案】C 【解析】居里点是指压电效应消失的温度转变点。当压电材料的温度达到居里点时，其压电特性会消失。因此，正确答案是C。 · 压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。 · 具有实用价值的压电材料基本上可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。 知识点二 测量转换电路 1、 压电元件的等效电路： 压电元件在承受沿其敏感轴方向的外力作用时产生电荷，当压电元件表面聚集电荷时，它可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图1所示。电容器上的电压、电荷量和电容，三者关系为 压电元件也可以等效为一个电压源和一个串联电容表示的电压等效电路，如图 1所示 图1 压电元件的等效电路 压电式传感器与二次仪表配套使用时，还应考虑到连接电缆的等效电容C。。若放大器的输人电阻为R输入电容为C，那么完整的等效电路如图2： 图2 压电式传感器的实际等效电路 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻抗，故只适用于动态测量。 2、 测量转换电路： 多压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需要将电信号放大后才能检测出来。 但因传感器的内阻抗较高，因此它需要与高输入阻抗的前置放大器配合，然后再采用一般的放大、检波、显示、记录电路。 根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之相配的前置放大器也有电荷前置放大器和电压前置放大器两种形式。 由于电压前置放大器中的输出电压与电缆电容有关，故目前采用电荷前置放大器。 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容C，的高增益运算放大器电路，如图3所示。 图3 电荷放大器等效电路 当放大器的电压放大倍数A≥1时，经推导可得 由此可见，电荷放大器的特点是输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关。 压电元件在承受沿其敏感轴方向的外力作用时，可以等效为以下哪种电路（ ） A.电阻与电感相并联的电路 B.电荷源与电容相并联的电路 C.电压源与电阻相串联的电路 D.电感与电容相串联的电路 【答案】B 【解析】 压电元件在承受外力作用时会产生电荷，这些电荷聚集在元件表面，因此可以等效为一个电荷源与一个电容相并联的电路。这是压电元件最常用的等效电路形式。因此，正确答案是B。 1. 在压电元件的电压等效电路中，压电元件可以等效为一个电压源和以下哪个元件相串联（ ） A.电阻 B.电感 C.电容 D.二极管 【答案】C 【解析】压电元件的电压等效电路中，压电元件可以等效为一个电压源与一个串联电容。这是因为压电元件在产生电压的同时，其内部电容也会影响电压的测量。因此，正确答案是C。 2. 在压电式传感器的实际等效电路中，连接电缆的等效电容用哪个符号表示（ ） A. B. C. D. 【答案】D 【解析】在压电式传感器的实际等效电路中，连接电缆的等效电容通常用C₀表示。这是为了考虑连接电缆对整个测量系统的影响。因此，正确答案是D。 3. 压电式传感器与放大器配合使用时，为什么只适用于动态测量（ ） A.因为电荷会在静态下自动消失 B.因为需要转换电路具有无限大的输入阻抗 C.因为电缆电容会影响测量 D.因为电压放大倍数不足 【答案】B 【解析】压电式传感器只适用于动态测量是因为外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存。这需要转换电路具有无限大的输入阻抗，而在静态测量中很难实现这一点。 因此，正确答案是B。 1. 目前压电式传感器通常采用哪种前置放大器（ ） A.电压前置放大器 B.电阻前置放大器 C.电荷前置放大器 D.电流前置放大器 【答案】C 【解析】目前压电式传感器通常采用电荷前置放大器，这是因为电荷前置放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，不受电缆电容的影响，能够提供更稳定和准确的测量。因此，正确答案是C。 2. 电荷放大器的输出电压与以下哪个因素无关( ) A.输入电荷量 B.反馈电容 C.电压放大倍数 D.电缆电容 【答案】D 【解析】电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，而与电缆电容无关。这是电荷放大器的一个重要特性，使其在实际应用中更为稳定和可靠。因此，正确答案是D。 3. 在电荷放大器等效电路中，当放大器的电压放大倍数时，输出电压主要取决于什么（ ） A输入电荷量和反馈电容 B.输入电压和反馈电阻 C.电缆电容和输入电阻 D.电压放大倍数和电感 【答案】A 【解析】在电荷放大器等效电路中，当放大器的电压放大倍数时，输出电压主要取决于输入电荷量和反馈电容。这是因为电荷放大器的特性决定了其输出电压与这两个因素直接相关。因此，正确答案是B。 · 压电元件在受外力作用时产生电荷，可等效为电荷源与电容并联或电压源与电容串联的电路。 · 压电式传感器适用于动态测量，其产生的电荷需要高输入阻抗的转换电路来防止泄漏。 · 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，具有较好的稳定性和准确性。 知识点三 压电式传感器的结构和应用 1、 压电元件常用的结构形式 在压电式传感器中，为提高灵敏度，压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起。 由于压电片上的电荷是有限的，因此有串联和并联两种接法。一般常用的是并联接法，如图4所示， 图4 压电片的并联接法 其输出电容是单片电容的两倍，但输出电压等于单片电压，极板上的电荷为单片电荷量的两倍，即 压电片在传感器中必须有一定预紧力，以便保证在作用力变化时压电片始终受到压力，使整个接触面均匀接触，但这个预紧力也不能太大，否则将会影响其灵敏度。 2、 压电式传感器的应用 压电式传感器主要用于动态作用力、压力、加速度的测量，主要应用有压电式力传感器和压电式加速度传感器。 YDS-78Ⅰ型压电式力传感器如图5所示，它主要用于变化频率中等的动态力的测量，如车床动态切削力的测试。 图5 YDS-78 Ⅰ型压电式力传感器结构 一种压缩型压电式加速度传感器结构原理图如图6所示。测量时，通过基座1底部的螺孔将传感器与试件刚性地固定在一起，使传感器感受与试件相同频率的振动，质量块4就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。 由于压电效应，在压电片两个表面上就有电荷产生，经转换电路处理，即可测得加速度大小。 图6 压电式加速度传感器 压电片在压电式传感器中通常采用哪种接法来提高灵敏度（ ） A.串联接法 B.并联接法 C.单片接法 D.混合接法 【答案】B 【解析】 在压电式传感器中，为提高灵敏度，压电片通常采用并联接法。并联接法可以使输出电容增加到单片电容的两倍，同时极板上的电荷量也为单片电荷量的两倍，从而提高传感器的灵敏度。因此，正确答案是B。 1.YDS-78 Ⅰ型压电式力传感器主要用于测量以下哪种力（ ） A.静态力 B.恒力 C.摩擦力 D.动态力 【答案】D 【解析】YDS-78 Ⅰ型压电式力传感器主要用于测量动态力，例如车床动态切削力的测试。压电式传感器由于其工作原理，主要适用于动态力的测量。因此，正确答案是D。 2.压电片的并联接法中，输出电压与单片电压的关系是怎样的（ ） A.输出电压是单片电压的两倍 B.输出电压是单片电压的一半 C.输出电压等于单片电压 D.输出电压与单片电压无关 【答案】C 【解析】在压电片的并联接法中，输出电压等于单片电压。虽然输出电容和电荷量会变化，但输出电压保持不变。因此，正确答案是C。 3. 压电片在传感器中需要预紧力，其主要目的是什么（ ） A.保证压电片在作用力变化时均匀接触 B.增加输出电压 C.减小传感器尺寸 D.提高电荷输出 【答案】A 【解析】压电片在传感器中需要一定的预紧力，以确保在作用力变化时压电片始终受到均匀的压力，从而使整个接触面均匀接触。这样可以保证测量的准确性和稳定性。因此，正确答案是A。 1. 在压缩型压电式加速度传感器中，质量块的作用是什么（ ） A.增加传感器重量 B.提供正比于加速度的交变力 C.减小传感器尺寸 D.提高传感器灵敏度 【答案】B 【解析】在压缩型压电式加速度传感器中，质量块的作用是提供正比于加速度的交变力作用在压电片上。通过质量块的运动，压电片产生电荷，从而实现加速度的测量。因此，正确答案是B。 2. 在压缩型压电式加速度传感器中，传感器通过哪个部件与试件固定在一起（ ） A.压电片 B.质量块 C.基座 D.螺栓 【答案】C 【解析】在压缩型压电式加速度传感器中，传感器通过基座底部的螺孔与试件刚性地固定在一起。这样可以使传感器感受与试件相同频率的振动，从而准确测量加速度。因此，正确答案是C。 3. 压电式传感器在测量过程中，压电片产生的电荷量与以下哪个因素成正比（ ） A.输出电压 B.作用力变化频率 C.传感器尺寸 D.作用在压电片上的力 【答案】D 【解析】压电式传感器在测量过程中，压电片产生的电荷量与作用在压电片上的力成正比。这是因为压电效应直接关系到力对压电材料的作用，从而产生电荷。因此，正确答案是D。 · 压电片通常采用并联接法以提高灵敏度，输出电容增加但输出电压不变，电荷量为单片的两倍。 · 压电片需要一定的预紧力以确保在作用力变化时均匀接触，从而提高测量的准确性和稳定性。 · 压电式传感器主要用于动态力、压力和加速度的测量。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$