优·第五章习题答案.ppt

* 传感器原理及应用 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①何谓压电效应?正压电效应传感器能否测静态信号?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，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”—— 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）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——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。 适合测量高频交变力。 前置放大器输入端电压幅值： 第六次作业 时间常数 输入电压与作用力间的相位差： 时间常数 讨论： 适合测量高频交变力 ②石英晶体的压电效应有何特点?画图说明什么叫纵向压电效应?什么叫横向压电效应? 石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 ⑴石英晶体： 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 图 5-3 晶片上电荷极性与受力方向的关系 (a ) (b ) (c ) (d ) 晶体表面出现剩余电电荷而产生的。由于压电常数矩阵中只有d11、d12、d14、d25、d26不为零，并且d14、d25、d26需要切向应力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12 =- d11两个相关的应力方向和这两个压电常数。 不受力 图 5-2 石英晶体压电模型 ③压电式传感器的前置放大器作用是什么?比较电压式和电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：1、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0。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测量。 2、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匹配（P83） 。 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，和电缆电容C没有关系，并且与电荷q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；否则，在传感器过载时，会产生过高的输出电压。 ④有一压电晶体，其面积S=3cm2，厚度t=0.3mm，在零度，x切型纵向石英晶体压电系数d11=2.31×10-12C／N。求受到压力p=10MPa作用时产生的电荷q及输出电压U0? 解：受力F作用后，石英晶体产生电荷量为