《传感器与检测技术简明教程》-胡蓉 习题及答案 CH6 压电式传感器

第6章压电式传感器

一、单项选择题

1、对石英晶体，下列说法正确的是（）.

A.沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。

B.沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。

C.沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。

D.沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。

2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（）

A.压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好

B.压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好

C.石英晶体比压电陶骁的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好

D.石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好

3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（）

A.并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半

B.并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍

C.并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍

D.并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍

4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（）

A.串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同

B.串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同

C.串联时电荷量增大一倍，电容量不变

D.串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半

5、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（）原理。

A.磁阻效应B.压阻效应

C.正压电效应D.逆压电效应

6、压电陶瓷传感器与压电石英晶体传感器的比较是（）。

A.前者比后者灵敏度高B.后者比前者灵敏度高

C.前者比后者性能稳定性好D.前者机械强度比后者的好

7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（）。

A.晶体厚度成反比B.晶体面积成正比

C.作用在晶片上的压力成正比D.剩余极化强调成正比

8、压电式传感器目前多用于测量（）。

A.静态的力或压力B.动态的力或压力

C.位移D.温度

9、压电式加速度传感器是适合测量下列哪种信号（）。

A.适于测量任意B.适于测量直流

C.适于测量缓变D.适于测量动态

10、石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（）。

A.产生纵向压电效应B.产生横向压电效应

C.不产生压电效应D.产生逆向压电效应

11、在运算放大器放大倍数很大时，压电传感器输入电路中的电荷放大器的输出电压与

（）成正比。

A.输入电荷B.反馈电容

C.电缆电容D.放大倍数

12、石英晶体在沿电轴X方向的力作用下会（）

A.不产生压电效应B.产生逆向压电效应

C.产牛横向用电效应D.产牛纵向用电效应

13、关于压电式传感器中压电元件的连接，以下说法正确的是（）

A.与单片相比，并联时电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电压不变

B.与单片相比，串联时电荷量增加1倍、电容量增加1倍、输出电压增大1倍

C.与单片相比，并联时电荷量不变、电容量减半、输出电压增大1倍

D.与单片相比，串联时电荷量不变、电容量减半、输出电压不变

二、多项选择题

1、压电晶体式传感器其测量电路常采用（）。

A.频率放大器B.电荷放大器

C.电流放大器D.功率放大器

2、压电式传感器是高阻抗传感器，要求前置放大器的输入阻抗（）.

A很大B很低C不变1）随意

3、以下因素在选择合适的压电材料时必须考虑的有：（）

A.转换性能B.电性能C.时间稳定性D.温度稳定性

4、以下材料具有压电效应的有：（）

A.所有晶体B.钛酸钢C.话钛酸铅D.石英

三、填空题

1、压电式传感器是以某些介质的作为工作基础的。

2、将电能转变为机械能的压电效应称为。

3、石英晶体沿方向施加作用力不会产生压电效应，没有点电荷产生。

4、压电陶瓷需要有和的共同作用才会具有压电效应。

5、压电式传感器可等效为一个和一个并联，也可等效为一

个与相串联的电压源。

6、压电陶瓷是人工制造的多晶体，是由无数细微的电畴组成。电畴具有自己方

向，经过的压电陶究才具有压电效应。

7、压电式传感器是一种典型的传感器（或发电型传感器），其以某些电介质的

为基础，来实现非电量电测的目的。

8、压电式传感器的工作原理是基于某些材料的压电效应

9、用石英晶体制作的压电式传感器中，晶面上产生的与作用在晶

面上的压强成正比，而与晶片和面积无关。

10、沿着压电陶瓷极化方向加力时，其发生变化，引起垂直

于极化方向的平面上的变化而产生压电效应。

11、用电式传感器具有体积小、结构简单等优点，但不能测量

的被测量。特别是不能测量O

12、压电式传感器使用放大器时，输出电压几乎不受联接电缆长度变化的影

响。

13、压电式传感器在使用电压前置放大器时，连接电缆长度会影响系统

—;而使用电荷放大器时，其输出电压与传感器的成正比。

14、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有

和两种形式。

15、某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符

号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为效

应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称

效应.

16、石英晶体的X轴称为,垂直于X轴的平面上最强；丫轴称为

，沿丫轴的最明显；Z轴称为光轴或中性轴，Z轴方向上

无压电效应。

17、压电效应将转变为,逆压电效应将转亿为o

18、压电材料的主要特性参数有：、、、、

及。（任选4个做填空。）

19、压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷和。

四、简答题

1、什么叫正压电效应？

2、什么是逆压电效应？

3、什么叫纵向压电效应？

4、什么叫横向压电效应？

5、石英晶体x、y、z轴的名称及其特点是什么？

6、简述压电陶瓷的结构及其特性？

7、画出压电元件的两种等效电路。

8、压电元件在使用时常采用多片串接或并接的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电

荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？

9、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？

10、简述压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。

11、压电材料有哪些？

12、压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？

13、为什么压电传感器通常都用来测吊动态或瞬态参量？

14、设计压电式传感器检测电路的基本考虑点是什么？为什么？

15、试说明压电陶瓷的敏感机理.

16、试比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应。

17、试从材料特性、灵敏度、稳定性等角度比较石英晶体和压电陶瓷的压电效应。

18、画出压电式元件的并联接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的关系，并说明它

的适用场合？

19、画出压电式元件的串联接法，试述其输出电压、输出电荷和输出电容的关系，并说明它

的适用场合？

20、请简要说明一下什么是电荷放大器。

四、计算题

1、压电式加速度传感器与电荷放大器联接，电荷放大器又与函数记录仪联接。已知：传感

器的电荷灵敏度kq=100(pC/g),反馈电容00.01(nF),被测加速度a=0.5g。求：

(1)电荷放大器的输出电压是多少?电荷放大器的灵敏度是多少？

(2)若函数记录仪的灵敏度krfmm/mV,求测量系统总灵敏度ko.

2、一压电式力传感器，将它与一只灵敏度Sv可调的电荷放大器联接，然后接到灵敏度为

Sx=20mm/v的光线示波器上记录，现知压电式压力传感器灵敏度为Sp=5pc/Pa,该测试系统

的总灵敏度为S=0.5mm/Pa,试问：

(1)电荷放大器的灵敏度Sv应调为何值(v/Pc)?

(2)用该测试系统测40Pa的压力变化时，光线示波器上光点的移动距离是多少？

3、石英晶体加速计及电荷放大器测量机械振动，已知加速度计灵敏度为5pc/g,电荷放大

器灵敏度为50mv/pc,当机器达到最大加速度时的相应输出电压幅值为2V,试求机械的振动

加速度（单位g）O

第6章压电式传感器

一、单项选择题

题号答案知识点

1A压电材料

2B压电材料

3D压电元件的连接

4B压电元件的连接

5D压电效应

6A压电材料

7C压电材料

8B测量电路

9D典型应用

10B压电材料

11A测量电路

12D压电材料

13A压电元件的连接

二、多项选择题

题号答案知识点

1ABCD测量电路

2ABCD测量电路

3ABCD压电材料

4BCD压电材料

三、填空题

题号答案知识点

1压电效应压电效应

2逆压电效应压电效应

3z轴/光轴压电材料

4外电场；压力压电材料

5电荷源Q：电容器C；电容测量电路

6自发的极化：极化处理压电材料

7有源；压电效应压电效应

8压电压电效应

9电荷量；几何尺寸压电材料

10晶粒的极化方向：压电特性压电材料

11随时间变化缓慢；静态量测量电路

测量电路

12电荷

测量电路

13输出电压；压电系数

测量电路

14电荷放大器；电压放大器

15正压电效应；逆压电效应压电效应

16电轴；压电效应；机械轴；机械变形压电材料

17机械能；电能；电能；机械能压电效应

18压电系数；弹性系数；介电常数；机电耦合系数；居里压电材料

点；电阻

19横向压电材料

四、简答题

1、答：正压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化

现象而使其出现电荷集聚的现象。

知识点：压电效应

2、答：当在片状压电材料的两个电极面上加上交流电压，那么压电片将产生机械振动，即

压电片在电极方向上产生伸缩变形，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电

效应。

知识点：压电效应

3、答：沿石英晶体的x轴（电轴）方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。

知识点：压电材料

4、答：沿石英晶体的y轴（机械轴）方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。

知识点：压电材料

5、答：石英晶体的z轴：是纵向轴，称为光轴，沿该方向受力不会产生压电效应。

石英晶体的x轴：称为电轴，压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚。沿电轴方向

的力作用于晶体时所产生的电荷量的大小与切片的几何尺寸无关。

石英晶体的y轴：是机械轴，沿机械轴方向的力作用于晶体时产生的电荷量大小q,与

晶体切片的几何尺寸有关。

知识点：压电材料

6、答：压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，

它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们

各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具

有压电性质。

在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，

从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场

强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电嚅极化方向都整齐地与外电场方向一致

时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有

压电特性。

知识点：压电材料

7、答：

。㊀

电荷等效电路电压等效电路

知识点：等效电路

8、答：并联接法在外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输

出电压与单片时相同。适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。

串联接法上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大

了1倍。适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。

知识点：压电元件的连接

9、答：电荷放大器的特点是：

①放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电

压Ur（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。

②电荷放大器的输出电压U。与电缆电容Cc无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的突

出优点。由于Q与被测压力成线性关系，因此，输出电压与被测压力成线性关系。

知识点：测量电路

10、答：传感器与电压放大器连接的电路，其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易

受电缆电容的影响。

传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比，电缆电

容的影响小。

知识点：测量电路

11、答：压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料

知识点：压电材料

12、答：结构和应用特点：

在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常

用的是两片结构：根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连

接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。

使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力

作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用

力间的线性关系，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以

压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路

一定的电流.故压电传感器只能作动态测量0

知识点：测量电路

13、答：如作用在压电组件上的力是静态力，则电荷会泄露，无法进行测量。所以压电传感

器通常都用来测量动态或瞬态参量。

知识点：测量电路

14、答：基本考虑点是如何更好的改变传感器的频率特性，以使传感器能用于更广泛的领域。

知识点：测量电路

15、答：压电陶瓷产生压电效应的原理

•极化前，存在许多自发极化的电畴

•极化中，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致

•极化后，有剩余极化强度

知识点：压电材料

16、答：石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它

具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶骁是一种多晶铁电体。原始的压电陶兖材

料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。所谓极化，就

是以强电场使“电畴”规则排列，而电畴在极化电场除去后基本保持不变，留下了很强的剩

余极化。

当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面

分别产生正负电荷。

在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化一老化，铁电体老化

将使压电效应减弱。

知识点：压电材料

17、答：石英晶体是单晶结构，且不同晶向具有各异的物理特性。石英晶体受外力作用而变

形时，产生压电效应。

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须

在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。

压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多（即压电效