传感器应用技能实训05习题答案

—75—二、思考题1．填空题（1）由于力的作用而使物体表面产生电荷，这种效应称为压电效应，制成的传感器称为压电式传感器，一般采用压电晶体作为传感器的材料。（2）压电元件是一种力敏感元件，可以测量那些最终能转换为力的物理量。（3）压电式传感器不能测量静态的被测的量，更不能测量零频率的信号，现在多用于测量动态量。（4）压电式传感器是一个电压很大的信号源，它可以等效为一个电荷发生器和一个电容器的并联电路，也可以等效为一个电压源和一个电容的串联电路，在测量中与它配接的电路是前置放大器。（5）压电式传感器是基于某些压电材料的压电效应。（6）压电式传感器采用前置放大电路的目的是一是起放大的作用，放大压电式传感器输出的微弱信号；二是起阻抗转换的作用，将压电式传感器的高阻抗输出转换为低输出阻抗。（7）压电式传感器的前置放大电路往往采用电压放大器电路前置放大器，其突出的特点是输出与输入信号的频率无关，只与放大器的反馈电容有关，所以目前使用广泛。（8）当压电式加速度计固定在试件上而承受振动时，质量块产生一可变力，作用在压电晶片上，由于___压电_____效应，在压电晶片两表面上就有__电荷______产生。2．选择题（1）压电元件是一种（a）敏感元件，可以测量那些最终能转换为（a）的物理量。a．力b．位移c．温度（2）压电晶体表面所产生的电荷密度与（c）。a．晶体厚度成反比b．晶体面积成反比c．作用在晶体上的压力成正比（3）压电片受力的方向与产生电荷的极性（b）。a．无关b．有关（4）前置放大电路具有（c）的功能。a．放大b．转换阻抗c．放大与转换（5）压电式加速度传感器是（d）信号的传感器。a．适合测量任意b．适合测量直流c．适合测量缓变d．适合测量交流3．问答题（1）何为压电效应？压电式传感器对测量电路有何特殊要求？为什么？答：压电元件受到一定方向的外力而产生变形，内部产生了电荷极化的现象，在元件的上下两表面便产生极性相反、大小相等的电荷，且电荷量和所受到压力的大小成正比。外力的方向改变时，电荷的正负极性也随之发生变化。去掉外力，元件又恢复到原来不带电状态，—76—这种现象称为压电效应。压电式传感器的内阻很高（Ra≥1010Ω），而输出的信号又非常微弱，因此输出信号一般不能直接传输、显示和记录。输出端要求与高输入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大电路、检波电路、显示电路、记录电路，这样才能防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是起放大的作用，放大压电式传感器输出的微弱信号；二是起阻抗转换的作用，将压电式传感器的高阻抗输出转换为低输出阻抗。（2）压电式传感器能否用于静态测量？为什么？答：由压电式传感器实际的等效电路可以看出，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，电压源才能保持长期不变；如果负载不是无穷大，则电路就会按指数规律放电。这对于静态标定及低频准静态的测量极为不利，必然带来误差。事实上，压电式传感器的内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，压电元件只有在交变力的作用下，以较高频率不断地作用，电荷才能源源不断地产生并得以不断补充，以供给测量回路一定的电流。从这个意义上讲，压电式传感器不适用于静态测量，只适用于动态测量。（3）压电式传感器输出信号的特点是什么？它对放大器有什么要求？放大器有哪两种类型？压电式传感器测量电路的作用是什么？其核心是解决什么问题？答：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。压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是起放大的作用，放大压电式传感器输出的微弱信号；二是起阻抗转换的作用，将压电式传感器的高阻抗输出转换为低输出阻抗。前置放大器有电荷放大器和电压放大器两种形式。压电式传感器的内阻很高（Ra≥1010Ω），而输出的信号又非常微弱，因此输出信号一般不能直接传输、显示和记录。输出端要求与高输入阻抗的前置放大器相配合，然后再接放大电路、检波电路、显示电路、记录电路，这样才能防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。（4）压电式加速度传感器与压电式力传感器在结构上有什么不同？为什么？答：当压电式加速度计比压电式力传感器多一质量块，质量块可以产生一可变力，作用在压电晶片上，由于压电效应，在压电晶片两表面上就有电荷产生。（5）压电式传感器往往采用多片压电晶体串联或并联方式，若采用并联方式，适合于测量何种信号？答：只适用于测量较高频率动态信号。—77—（6）试述压电式传感器的工作原理。答：压电式传感器是由压电元件组成的自发电式传感器。压电元件受到一定方向的外力而产生变形，内部产生了电荷极化的现象，在元件的上下两表面便产生极性相反、大小相等的电荷，且电荷量和所受到压力的大小成正比。外力的方向改变时，电荷的正负极性也随之发生变化。去掉外力，元件又恢复到原来不带电状态，这种现象称为压电效应。如下图给出了某种压电元件在各种受力条件下所产生的电荷情况，从图中可以看出，元件表面电荷的极性与受力的方向有关。压电效应把机械能转换为电能。