第五章习题答案.ppt

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1、传感器原理及应用传感器原理及应用l西南交通大学电气工程学院(学分:2 学时:32)主讲教师:华泽玺电话:68146639 13308080547何谓压电效应何谓压电效应?正压电效应传感器能否测静态信号正压电效应传感器能否测静态信号?为什么为什么?某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为回到不带电的

2、状态，这种现象称为“正压电效应正压电效应”机械机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效逆压电效应应”电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。称为压电材料。适合测量高频交变力。适合测量高频交变力。前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：第六次作业第六次作业时间常数时间常数时间常数时间常数输入电压与作用力间

3、的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：时间常数时间常数时间常数时间常数讨论：讨论：讨论：讨论：适合测量高频交变力适合测量高频交变力适合测量高频交变力适合测量高频交变力石英晶体的压电效应有何特点石英晶体的压电效应有何特点?画图说明什么叫纵向压电画图说明什么叫纵向压电效应效应?什么叫横向压电效应什么叫横向压电效应?石石英英晶晶体体化化学学式式为为SiO2，是是单单晶晶体体结结构构。天天然然结结构构的的石石英英晶晶体体外外形形，它它是是一一个个正正六六面面体体。石石英英晶晶体体各各个个方方向向的的特特性性是是不不同同的的。其其中中纵纵向向轴轴z

4、称称为为光光轴轴，经经过过六六面面体体棱棱线线并并垂垂直直于于光光轴轴的的x称称为为电电轴轴，与与x和和z轴轴同同时时垂垂直直的的轴轴y称称为为机机械械轴轴。通通常常把把沿沿电电轴轴x方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电电效效应应称称为为“纵纵向向压压电电效效应应”，而而把把沿沿机机械械轴轴y方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电电效效应应称称为为“横横向向压压电电效效应应”。而而沿沿光光轴轴z方方向向的的力力作作用用时时不产生压电效应。不产生压电效应。石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片 石英晶体：石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外

5、力的作用下由于晶体的形变而如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的图图 5-3 5-3 晶片上电荷极性与受力方向的关系晶片上电荷极性与受力方向的关系(a a )(b b )(c c )(d d )晶体表面出现剩余电晶体表面出现剩余电电荷而产生的。由于电荷而产生的。由于压电常数矩阵中只有压电常数矩阵中只有d11、d12、d14、d25、d26不为零，并且不为零，并且d14、d25、d26需要切向应力需要切向应力作用往往不便利用，作用往往不便利用，所以通

6、常只利用所以通常只利用d d1111、d12=-d11两个相关的两个相关的应力方向和这两个压应力方向和这两个压电常数。电常数。不受力不受力图图 5-2 5-2 石英晶体压电模型石英晶体压电模型压电式传感器的前置放大器作用是什么压电式传感器的前置放大器作用是什么?比较电压式和电比较电压式和电荷式前置放大器各有何特点荷式前置放大器各有何特点?一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。换成低阻抗输出。电压式和电荷式前置放大器各有何特点：电压式和电荷式前置放大器各有何特点：电压式：电压式：1、当作用于压电元件上的力为静态力时

7、，则前置、当作用于压电元件上的力为静态力时，则前置放大器的输入电压等于放大器的输入电压等于0。因为电荷会通过放大器输入电阻。因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态测量。测量。2、它具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，因、它具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传感器与一般放大器此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传感器与一般放大器匹配匹配（P83）。电荷式：电荷放大器是一个有反馈电容电荷式：电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大的高增益运算放大器。由于运算放大器

8、具有极高的输入阻抗，因此放大器的输器。由于运算放大器具有极高的输入阻抗，因此放大器的输入端几乎没有分流，充电电压接近放大器输出电压，和电缆入端几乎没有分流，充电电压接近放大器输出电压，和电缆电容电容C没有关系，并且与电荷没有关系，并且与电荷q成正比。成正比。要注意的是，这两种放大器电路的输入都应加过载保护电路；要注意的是，这两种放大器电路的输入都应加过载保护电路；否则，在传感器过载时，会产生过高的输出电压。否则，在传感器过载时，会产生过高的输出电压。有一压电晶体，其面积有一压电晶体，其面积S=3cm2，厚度，厚度t=0.3mm，在零度，在零度，x切型纵向石英晶体压电系数切型纵向石英晶体压电系数d11=2.3110-12CN。求受到压。求受到压力力p=10MPa作用时产生的电荷作用时产生的电荷q及输出电压及输出电压U0?解：受力解：受力F作用后，石英晶体产生电荷量为作用后，石英晶体产生电荷量为代人数据得代人数据得 q=6.9310-9C晶体的电容量晶体的电容量式中式中0真空介电常数，真空介电常数，0=8.8510-12Fm；r石英晶体相对石英晶体相对介电常数介电常数r=4.5故故 C=3.9810-11F则输出电压则输出电压