《傳感器與檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)明教程》-胡蓉 習(xí)題及答案 CH6 壓電式傳感器

第6章壓電式傳感器

一、單項(xiàng)選擇題

1、對(duì)石英晶體，下列說(shuō)法正確的是（）.

A.沿光軸方向施加作用力，不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，也沒(méi)有電荷產(chǎn)生。

B.沿光軸方向施加作用力，不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，但會(huì)有電荷產(chǎn)生。

C.沿光軸方向施加作用力，會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，但沒(méi)有電荷產(chǎn)生。

D.沿光軸方向施加作用力，會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，也會(huì)有電荷產(chǎn)生。

2、石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)對(duì)比正確的是（）

A.壓電陶瓷比石英晶體的壓電效應(yīng)明顯，穩(wěn)定性也比石英晶體好

B.壓電陶瓷比石英晶體的壓電效應(yīng)明顯，穩(wěn)定性不如石英晶體好

C.石英晶體比壓電陶驍?shù)膲弘娦?yīng)明顯，穩(wěn)定性也比壓電陶瓷好

D.石英晶體比壓電陶瓷的壓電效應(yīng)明顯，穩(wěn)定性不如壓電陶瓷好

3、兩個(gè)壓電元件相并聯(lián)與單片時(shí)相比說(shuō)法正確的是（）

A.并聯(lián)時(shí)輸出電壓不變，輸出電容是單片時(shí)的一半

B.并聯(lián)時(shí)輸出電壓不變，電荷量增加了2倍

C.并聯(lián)時(shí)電荷量增加了2倍，輸出電容為單片時(shí)2倍

D.并聯(lián)時(shí)電荷量增加了一倍，輸出電容為單片時(shí)的2倍

4、兩個(gè)壓電元件相串聯(lián)與單片時(shí)相比說(shuō)法正確的是（）

A.串聯(lián)時(shí)輸出電壓不變，電荷量與單片時(shí)相同

B.串聯(lián)時(shí)輸出電壓增大一倍，電荷量與單片時(shí)相同

C.串聯(lián)時(shí)電荷量增大一倍，電容量不變

D.串聯(lián)時(shí)電荷量增大一倍，電容量為單片時(shí)的一半

5、用于厚度測(cè)量的壓電陶瓷器件利用了（）原理。

A.磁阻效應(yīng)B.壓阻效應(yīng)

C.正壓電效應(yīng)D.逆壓電效應(yīng)

6、壓電陶瓷傳感器與壓電石英晶體傳感器的比較是（）。

A.前者比后者靈敏度高B.后者比前者靈敏度高

C.前者比后者性能穩(wěn)定性好D.前者機(jī)械強(qiáng)度比后者的好

7、壓電石英晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度與（）。

A.晶體厚度成反比B.晶體面積成正比

C.作用在晶片上的壓力成正比D.剩余極化強(qiáng)調(diào)成正比

8、壓電式傳感器目前多用于測(cè)量（）。

A.靜態(tài)的力或壓力B.動(dòng)態(tài)的力或壓力

C.位移D.溫度

9、壓電式加速度傳感器是適合測(cè)量下列哪種信號(hào)（）。

A.適于測(cè)量任意B.適于測(cè)量直流

C.適于測(cè)量緩變D.適于測(cè)量動(dòng)態(tài)

10、石英晶體在沿機(jī)械軸y方向的力作用下會(huì)（）。

A.產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)B.產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)

C.不產(chǎn)生壓電效應(yīng)D.產(chǎn)生逆向壓電效應(yīng)

11、在運(yùn)算放大器放大倍數(shù)很大時(shí)，壓電傳感器輸入電路中的電荷放大器的輸出電壓與

（）成正比。

A.輸入電荷B.反饋電容

C.電纜電容D.放大倍數(shù)

12、石英晶體在沿電軸X方向的力作用下會(huì)（）

A.不產(chǎn)生壓電效應(yīng)B.產(chǎn)生逆向壓電效應(yīng)

C.產(chǎn)牛橫向用電效應(yīng)D.產(chǎn)?？v向用電效應(yīng)

13、關(guān)于壓電式傳感器中壓電元件的連接，以下說(shuō)法正確的是（）

A.與單片相比，并聯(lián)時(shí)電荷量增加1倍、電容量增加1倍、輸出電壓不變

B.與單片相比，串聯(lián)時(shí)電荷量增加1倍、電容量增加1倍、輸出電壓增大1倍

C.與單片相比，并聯(lián)時(shí)電荷量不變、電容量減半、輸出電壓增大1倍

D.與單片相比，串聯(lián)時(shí)電荷量不變、電容量減半、輸出電壓不變

二、多項(xiàng)選擇題

1、壓電晶體式傳感器其測(cè)量電路常采用（）。

A.頻率放大器B.電荷放大器

C.電流放大器D.功率放大器

2、壓電式傳感器是高阻抗傳感器，要求前置放大器的輸入阻抗（）.

A很大B很低C不變1）隨意

3、以下因素在選擇合適的壓電材料時(shí)必須考慮的有：（）

A.轉(zhuǎn)換性能B.電性能C.時(shí)間穩(wěn)定性D.溫度穩(wěn)定性

4、以下材料具有壓電效應(yīng)的有：（）

A.所有晶體B.鈦酸鋼C.話鈦酸鉛D.石英

三、填空題

1、壓電式傳感器是以某些介質(zhì)的作為工作基礎(chǔ)的。

2、將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的壓電效應(yīng)稱(chēng)為。

3、石英晶體沿方向施加作用力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，沒(méi)有點(diǎn)電荷產(chǎn)生。

4、壓電陶瓷需要有和的共同作用才會(huì)具有壓電效應(yīng)。

5、壓電式傳感器可等效為一個(gè)和一個(gè)并聯(lián)，也可等效為一

個(gè)與相串聯(lián)的電壓源。

6、壓電陶瓷是人工制造的多晶體，是由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。電疇具有自己方

向，經(jīng)過(guò)的壓電陶究才具有壓電效應(yīng)。

7、壓電式傳感器是一種典型的傳感器（或發(fā)電型傳感器），其以某些電介質(zhì)的

為基礎(chǔ)，來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。

8、壓電式傳感器的工作原理是基于某些材料的壓電效應(yīng)

9、用石英晶體制作的壓電式傳感器中，晶面上產(chǎn)生的與作用在晶

面上的壓強(qiáng)成正比，而與晶片和面積無(wú)關(guān)。

10、沿著壓電陶瓷極化方向加力時(shí)，其發(fā)生變化，引起垂直

于極化方向的平面上的變化而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

11、用電式傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但不能測(cè)量

的被測(cè)量。特別是不能測(cè)量O

12、壓電式傳感器使用放大器時(shí)，輸出電壓幾乎不受聯(lián)接電纜長(zhǎng)度變化的影

響。

13、壓電式傳感器在使用電壓前置放大器時(shí)，連接電纜長(zhǎng)度會(huì)影響系統(tǒng)

—;而使用電荷放大器時(shí)，其輸出電壓與傳感器的成正比。

14、壓電式傳感器的輸出須先經(jīng)過(guò)前置放大器處理，此放大電路有

和兩種形式。

15、某些電介質(zhì)當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┝Χ冃螘r(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的表面產(chǎn)生符

號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為效

應(yīng)；在介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)時(shí)電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，這種效應(yīng)又稱(chēng)

效應(yīng).

16、石英晶體的X軸稱(chēng)為,垂直于X軸的平面上最強(qiáng)；丫軸稱(chēng)為

，沿丫軸的最明顯；Z軸稱(chēng)為光軸或中性軸，Z軸方向上

無(wú)壓電效應(yīng)。

17、壓電效應(yīng)將轉(zhuǎn)變?yōu)?逆壓電效應(yīng)將轉(zhuǎn)億為o

18、壓電材料的主要特性參數(shù)有：、、、、

及。（任選4個(gè)做填空。）

19、壓電材料有三類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷和。

四、簡(jiǎn)答題

1、什么叫正壓電效應(yīng)？

2、什么是逆壓電效應(yīng)？

3、什么叫縱向壓電效應(yīng)？

4、什么叫橫向壓電效應(yīng)？

5、石英晶體x、y、z軸的名稱(chēng)及其特點(diǎn)是什么？

6、簡(jiǎn)述壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及其特性？

7、畫(huà)出壓電元件的兩種等效電路。

8、壓電元件在使用時(shí)常采用多片串接或并接的結(jié)構(gòu)形式。試述在不同接法下輸出電壓、電

荷、電容的關(guān)系，它們分別適用于何種應(yīng)用場(chǎng)合？

9、壓電式傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點(diǎn)？

10、簡(jiǎn)述壓電式傳感器分別與電壓放大器和電荷放大器相連時(shí)各自的特點(diǎn)。

11、壓電材料有哪些？

12、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(cè)量靜態(tài)壓力？

13、為什么壓電傳感器通常都用來(lái)測(cè)吊動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量？

14、設(shè)計(jì)壓電式傳感器檢測(cè)電路的基本考慮點(diǎn)是什么？為什么？

15、試說(shuō)明壓電陶瓷的敏感機(jī)理.

16、試比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。

17、試從材料特性、靈敏度、穩(wěn)定性等角度比較石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應(yīng)。

18、畫(huà)出壓電式元件的并聯(lián)接法，試述其輸出電壓、輸出電荷和輸出電容的關(guān)系，并說(shuō)明它

的適用場(chǎng)合？

19、畫(huà)出壓電式元件的串聯(lián)接法，試述其輸出電壓、輸出電荷和輸出電容的關(guān)系，并說(shuō)明它

的適用場(chǎng)合？

20、請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明一下什么是電荷放大器。

四、計(jì)算題

1、壓電式加速度傳感器與電荷放大器聯(lián)接，電荷放大器又與函數(shù)記錄儀聯(lián)接。已知：傳感

器的電荷靈敏度kq=100(pC/g),反饋電容00.01(nF),被測(cè)加速度a=0.5g。求：

(1)電荷放大器的輸出電壓是多少?電荷放大器的靈敏度是多少？

(2)若函數(shù)記錄儀的靈敏度krfmm/mV,求測(cè)量系統(tǒng)總靈敏度ko.

2、一壓電式力傳感器，將它與一只靈敏度Sv可調(diào)的電荷放大器聯(lián)接，然后接到靈敏度為

Sx=20mm/v的光線示波器上記錄，現(xiàn)知壓電式壓力傳感器靈敏度為Sp=5pc/Pa,該測(cè)試系統(tǒng)

的總靈敏度為S=0.5mm/Pa,試問(wèn)：

(1)電荷放大器的靈敏度Sv應(yīng)調(diào)為何值(v/Pc)?

(2)用該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)40Pa的壓力變化時(shí)，光線示波器上光點(diǎn)的移動(dòng)距離是多少？

3、石英晶體加速計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)械振動(dòng)，已知加速度計(jì)靈敏度為5pc/g,電荷放大

器靈敏度為50mv/pc,當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度時(shí)的相應(yīng)輸出電壓幅值為2V,試求機(jī)械的振動(dòng)

加速度（單位g）O

第6章壓電式傳感器

一、單項(xiàng)選擇題

題號(hào)答案知識(shí)點(diǎn)

1A壓電材料

2B壓電材料

3D壓電元件的連接

4B壓電元件的連接

5D壓電效應(yīng)

6A壓電材料

7C壓電材料

8B測(cè)量電路

9D典型應(yīng)用

10B壓電材料

11A測(cè)量電路

12D壓電材料

13A壓電元件的連接

二、多項(xiàng)選擇題

題號(hào)答案知識(shí)點(diǎn)

1ABCD測(cè)量電路

2ABCD測(cè)量電路

3ABCD壓電材料

4BCD壓電材料

三、填空題

題號(hào)答案知識(shí)點(diǎn)

1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

2逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

3z軸/光軸壓電材料

4外電場(chǎng)；壓力壓電材料

5電荷源Q：電容器C；電容測(cè)量電路

6自發(fā)的極化：極化處理壓電材料

7有源；壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

8壓電壓電效應(yīng)

9電荷量；幾何尺寸壓電材料

10晶粒的極化方向：壓電特性壓電材料

11隨時(shí)間變化緩慢；靜態(tài)量測(cè)量電路

測(cè)量電路

12電荷

測(cè)量電路

13輸出電壓；壓電系數(shù)

測(cè)量電路

14電荷放大器；電壓放大器

15正壓電效應(yīng)；逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

16電軸；壓電效應(yīng)；機(jī)械軸；機(jī)械變形壓電材料

17機(jī)械能；電能；電能；機(jī)械能壓電效應(yīng)

18壓電系數(shù)；彈性系數(shù)；介電常數(shù)；機(jī)電耦合系數(shù)；居里壓電材料

點(diǎn)；電阻

19橫向壓電材料

四、簡(jiǎn)答題

1、答：正壓電效應(yīng)就是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化

現(xiàn)象而使其出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。

知識(shí)點(diǎn)：壓電效應(yīng)

2、答：當(dāng)在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上加上交流電壓，那么壓電片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即

壓電片在電極方向上產(chǎn)生伸縮變形，壓電材料的這種現(xiàn)象稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)，也稱(chēng)為逆壓電

效應(yīng)。

知識(shí)點(diǎn)：壓電效應(yīng)

3、答：沿石英晶體的x軸（電軸）方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”。

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

4、答：沿石英晶體的y軸（機(jī)械軸）方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”。

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

5、答：石英晶體的z軸：是縱向軸，稱(chēng)為光軸，沿該方向受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體的x軸：稱(chēng)為電軸，壓電效應(yīng)只在該軸的兩個(gè)表面產(chǎn)生電荷集聚。沿電軸方向

的力作用于晶體時(shí)所產(chǎn)生的電荷量的大小與切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。

石英晶體的y軸：是機(jī)械軸，沿機(jī)械軸方向的力作用于晶體時(shí)產(chǎn)生的電荷量大小q,與

晶體切片的幾何尺寸有關(guān)。

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

6、答：壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，

它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們

各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具

有壓電性質(zhì)。

在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，

從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)

強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電嚅極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致

時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有

壓電特性。

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

7、答：

。一

電荷等效電路電壓等效電路

知識(shí)點(diǎn)：等效電路

8、答：并聯(lián)接法在外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸

出電壓與單片時(shí)相同。適宜測(cè)量慢變信號(hào)且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。

串聯(lián)接法上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大

了1倍。適宜以電壓作輸出信號(hào)且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。

知識(shí)點(diǎn)：壓電元件的連接

9、答：電荷放大器的特點(diǎn)是：

①放大器的輸入阻抗極高，輸入端幾乎沒(méi)有分流，電荷Q只對(duì)反饋電容Cf充電，充電電

壓Ur（反饋電容兩端的電壓）接近于放大器的輸出電壓。

②電荷放大器的輸出電壓U。與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，而與Q成正比，這是電荷放大器的突

出優(yōu)點(diǎn)。由于Q與被測(cè)壓力成線性關(guān)系，因此，輸出電壓與被測(cè)壓力成線性關(guān)系。

知識(shí)點(diǎn)：測(cè)量電路

10、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。

知識(shí)點(diǎn)：測(cè)量電路

11、答：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

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

12、答：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(gè)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(shí)，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(shí)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(hào)與輸入作用

力間的線性關(guān)系，因此需要測(cè)量電路具有無(wú)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(cè)量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，并給測(cè)量電路

一定的電流.故壓電傳感器只能作動(dòng)態(tài)測(cè)量0

知識(shí)點(diǎn)：測(cè)量電路

13、答：如作用在壓電組件上的力是靜態(tài)力，則電荷會(huì)泄露，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。所以壓電傳感

器通常都用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)參量。

知識(shí)點(diǎn)：測(cè)量電路

14、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。

知識(shí)點(diǎn)：測(cè)量電路

15、答：壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原理

?極化前，存在許多自發(fā)極化的電疇

?極化中，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)方向一致

?極化后，有剩余極化強(qiáng)度

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

16、答：石英晶體整個(gè)晶體是中性的，受外力作用而變形時(shí)，沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但它

具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。壓電陶驍是一種多晶鐵電體。原始的壓電陶兗材

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(chǎng)使“電疇”規(guī)則排列，而電疇在極化電場(chǎng)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(shí)，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(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化一老化，鐵電體老化

將使壓電效應(yīng)減弱。

知識(shí)點(diǎn)：壓電材料

17、答：石英晶體是單晶結(jié)構(gòu)，且不同晶向具有各異的物理特性。石英晶體受外力作用而變

形時(shí)，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，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。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體大得多（即壓電效