1、补充习题3,主要对应第67章需要掌握的知识点；大家回去后自己做习题，下次课讲解。,第6章,知识要点：压电效应；以石英晶体为例，说明压电效应；压电传感器的前置放大器；,第6章,电路图： 压电式传感器等效电路 压电传感器的测量电路；,第6章,习题： 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？ 石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？ 用压电元件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？ 压电传感器放大电路为什么常用电荷放大器？ 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当机器加速度达到最大
2、值时，相应输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。,答案,什么是正压电效应？什么是逆压电效应？ 答：某些电介质在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。,答案,石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？ 答：石英晶体整个
3、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。压电陶瓷PZT是一种多晶体，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后，留下了很强的剩余极化强度，才能使其呈现出压电特性。,答案,石英晶体和压电陶瓷的压电效应有何不同之处？为什么说PZT压电陶瓷是优能的压电元件？比较几种常用压电材料的优缺点，说出各自适用于什么场合？ 答：比较石英晶体d11、d12，压电陶瓷的纵向压电常数d33大得多，是它们的上百倍。所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。常用的优能压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT），它具有很高的介电常数，工作温度可达250。,答案,用压电元
4、件和电荷放大器组成的压力测量系统能否用于静态测量？ 答：由压电传感器的等效电路可见，要保证输出信号与输入作用力间的线性关系，只有在负载电阻较大，工作频率较高时，传感器电荷才能得以保存补充，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，故压电传感器只能作动态测量，不宜作静态信号测量，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。,答案,压电传感器放大电路为什么常用电荷放大器？ 答：由于压电传感器输出信号很小，本身的内阻抗很大，输出阻抗很高，因此给它的后续测量电路提出了很高的要求。为了解决这一矛盾，通常需要将传感器的输出接入一个高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换后再
5、送入普通的放大器进行放大、检波等处理。前置放大器有两种形式：电压放大器和电荷放大器。如果使用电压放大器，其输出电压与电容Ca、Ci、Cc相关，虽然Ca、Ci很小，但Cc随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此常采用性能稳定的电荷放大器。,答案,用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。,解：已知加速度计灵敏度为5PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当输出幅值为2V时，机器振动加速度为：,第6章,习题： 一
6、压电式力传感器，将它与一灵敏度Sv可调的电荷放大器连接，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Sp=5pc/Pa，该测试系统的总灵敏度为S=0.5mm/Pa，试问： 电荷放大器的灵敏度Sv应调为何值（v/Pc）? 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？,答案,习题： 一压电式力传感器，将它与一灵敏度Sv可调的电荷放大器连接，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Sp=5pc/Pa，该测试系统的总灵敏度为S=0.5mm/Pa，试问： 电荷放大器的灵敏度Sv应调为何值（v/Pc）?
7、解：,答案,习题： 一压电式力传感器，将它与一灵敏度Sv可调的电荷放大器连接，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Sp=5pc/Pa，该测试系统的总灵敏度为S=0.5mm/Pa，试问： 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？ 解：,第7章,知识要点：磁电式传感器的工作原理,第7章,知识要点：霍尔效应；霍尔元件结构；霍尔元件的基本检测电路。,第7章,习题： 简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。 什么是霍尔效应？霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？某一霍尔元件尺寸为L=10mm，b=3.5mm，d
8、=1.0mm，沿L方向通以电流I=1.0mA ，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场B=0.3T，灵敏度为22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。,第7章,习题： 霍尔元件灵敏度KH=40V /(AT) ，控制电流I=3.0mA，将它置于110-4 510-4T线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？,答案,简述变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理。 答：恒磁通式传感器是指在测量过程中使导体（线圈）位置相对于恒定磁通变化而实现测量的一类磁电感应式传感器。变磁通式磁电传感器主要是靠改变磁路的磁通大小来进行测量，即通过改变测量磁路中气隙的大小，从而改
9、变磁路的磁阻来实现测量的。 什么是霍尔效应？ 答：通电的导体（半导体）放在磁场中，电流与磁场垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍尔效应。,答案,霍尔元件常用材料有哪些？为什么不用金属做霍尔元件材料？ 答：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。只有半导体材料适于制作霍尔元件。又因一般电子迁移率大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体制造。霍尔常数RH等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积，即RH=。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率
10、极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。,答案,解：,某一霍尔元件尺寸为L=10mm，b=3.5mm，d=1.0mm，沿L方向通以电流I=1.0mA，在垂直于L和b的方向加有均匀磁场B=0.3T，灵敏度为22V/(AT)，试求输出霍尔电势及载流子浓度。,则输出霍尔电势：,则载流子浓度为：,答案,霍尔元件灵敏度KH=40V /(AT) ，控制电流I=1.0mA，将它置于110-4 510-4T线性变化的磁场中，它输出的霍尔电势范围有多大？,解：,则输出霍尔电势范围是： 低端霍尔电势：,高端霍尔电势：,答案,霍尔元件不等位电势产生的原因有哪些？ 答：霍尔电势不为零的原因是： 霍尔引出电极安装不对称，不在同一等电位面上； 激励电极接触不良； 半导体材料不均匀造成电阻率不均匀等原因。,
