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补充习题3 主要对应第6 7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 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 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 A T 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 A T 控制电流I 3 0mA 将它置于1 10 4 5 10 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 A T 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 A T 控制电流I 1 0mA 将它置于