• 传感器原理及应用期末复习题整理（上）

四、压电传感器

压电效应

1. 压电效应是于1880年由 雅克保罗居里(Jacques Paul Curie) 和 皮埃尔居里( Pierre Curie) 发现的
2. 在压电材料的极化方向施加交变电场，它们能产生机械振动，这种现象称为逆压电效应
3. 某些电解质，当沿一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。这种现象就称为正压电效应。(加力 变形 产生电荷)
4. 在黑暗的环境中，将-块干燥的冰糖用榔头敲碎，冰糖在破碎的一瞬间发出暗淡的蓝色闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应。
5. 清代的诗人苏履吉，赞颂鸣沙的时候，曾经这么写到:雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁。它就是描写了鸣沙山的这种奥秘，鸣沙山，它在晴天的时候，沙子会发出这种鸣响，像鼓鸣一样，这是敦煌的十大经典之一。
   这个沙子，受力的作用产生电荷放电，是一种压电效应。

压电常数及压电常数矩阵

1. 矩阵中正压电效应中第三列全部为零、第三行全部为零、逆压电效应中第三列全部为零、第三行全部为零分别说明了什么?
   

矩阵中正压电效应中第三列全部为零，说明在沿z轴方向施加单向力时，任何表面不会产生电荷。

矩阵中正压电效应中第三行全部为零，说明沿任何方向施加单向力或者剪切力时，在垂直于z轴的平面内不会产生电荷。

矩阵中逆压电效应中第三列全部为零，说明在沿任何方向施加电场时，z轴方向不产生单向应变。

矩阵中逆压电效应中第三行全部为零，说明沿z轴方向施加电场时，在任何方向都不会产生单向应变或剪切应变。

2. 在正压电效应中，压电常数$d_{25}$表示：

在垂直于Y轴的平面施加剪切力的时候，在Y方向产生电场。(正压电效应)

在沿着Y方向施加电场的时候，在垂直于Y轴的平面产生剪切应变。(逆压电效应)

3. 在正压电效应中，压电常数$d_{12}$表示在沿着Y方向施加力的时候，在X方向产生电场

4. 在逆压电效应中，压电常数$d_{12}$表示在沿着X方向施加电场的时候，在Y方向产生应变。

5. 逆压电效应中，压电常数$d_{ij}$两个下角注中j的含义是产生应变的方向

6. 逆压电效应中，压电常数$d_{ij}$两个下角注中i的含义是所加电场的方向

7. 正压电效应中，压电常数$d_{ij}$两个下角注中j的含义是受力的性质

8. 正压电效应中，压电常数$d_{ij}$两个下角注中i的含义是晶体极化方向

压电传感器等效电路

1. 对压电材料机械性能的要求是强度高、刚度大
2. 对压电材料电性能的要求是电阻率高、介电常数大

3. 某压电传感器由两片石英晶片串联而成，每片尺寸为$(50\cdot 4\cdot 0.3)m{m}^3$,石 英的相对介电常数为4.5，当1MPa的压力沿电轴垂直作用时，求传感器输出的电荷量和极间的电压值。(真空中的介电常数是$8.85x10^{-12}F/m$;压电系数是$d_{11}=2.31x10^{-12}C/N$)
   
4. 压电元件的联接方式采取串联，适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号
5. 压电元件的联接方式采取并联，适用于测量缓变信号及电荷量输出信号

压电材料

1. 对压电材料电性能的要求是电阻率高、介电常数大
2. 对压电材料机械性能的要求:强度高、刚度大
3. 石英晶体它本身其实就是一个二氧化硅，是一个透明的六面体
4. 石英晶体的居里点温度高，稳定性好，无热释电现像，但压电常数小，成本高
5. 压电陶瓷的压电常数大，成本低，但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现像，会给传感器带来热干扰

电压放大器

1. 因为压电式传感器它的内阻很高、信号微弱，所以它需要信号调理电路
2. 压电式传感器信号调理电路的两个主要作用是阻抗变换和信号放大
3. 压电式传感器的信号调理电路主要有两大类型，分别是电压放大器和电荷放大器
4. 压电式传感器的内阻很高，同时它的信号比较微弱，因此为了后续能够方便正确的使用压电式传感器，必须通过电荷放大器
5. 分析压电式传感器信号调理电路的电压放大器的时候，主要是分析输入电压Ui与被测量之间是什么关系。
6. 当输入信号频率w时，电压放大器输入信号为0，所以压电传感器不能测量静态物理量。
7. 当wτ远远的小于1时，电压灵敏度Sv是随着w的变化而变化的。这个在动态测量里是不允许的。幅频特性它必须是一个平坦的直线，那显然当随着w的变化而变化，就会带来动态误差。
8. 压电式传感器它的高频特性是非常好，被测信号的频率越高，越能反应被测信号的大小，这是它的一个很重要的特点。
9. 压电式传感器的时间常数τ是越大越好
10. 增大压电传感器的时间常数t只有两种方法。因为时间常数τ它是等
    于R乘以C，那么也就是提高R或者是提高C。
    方法一就是增大这个C，这种办法一般来说它是不可取的,为什么呢?因为它的电压灵敏度Sv=dij /C，C太大等于这个系统灵敏度也会降低。
    方法二就是增加R，这个R大家注意一下，它是等于Ra(传感器本身等效的内阻)和Ri(放大器的输入电阻)的并联，这个Ra就是传感器本身等效的内阻它已经很大了，所以我们要尽量的提高这个放大器的输入电阻Ri。
11. 电压放大器的优点是电路可做得简单，成本低，工作可靠
12. 电压放大器的缺点是电压灵敏度易受电缆电容的影响

电荷放大器

1. 压电传感器电荷放大器的作用之一是阻抗电压，将一个高内阻的电荷源转换为一个低内阻的电压源
2. 压电传感器的电荷放大器几乎不受电缆长度变化而影响，故可以使用长电缆
3. 压电式传感器的电荷放大器电路复杂，价格较贵
4. 电荷放大器将压电式传感器的电荷转换为电压，也就是说电荷-电压之间的一-转换，电荷放大器只是一种习惯的叫法，它最大的特点就是与电缆电容无关。

五、超声波传感器

1. 已知超声波在工件中的声速为5640m/s，测得的时间间隔t为22μs，试求工件厚度为0.06m
   
2. 人耳听不到，但可以与人体器官发生共振的声波是次声波（低于20Hz）
3. 超声波频率高、波长短，指向性好，沿直线传播
4. 超声波能量集中，穿透能力强，在液体、固体中衰减很小，利用这种特性可以制作成超声波探伤传感器
5. 超声波遇到两种介质的反射面时，能产生明显的反射和折射，利用这种性质可以制作成超声波测距传感器
6. 超声波的速度与温度有关，因此对温湿敏感性较大
7. 超声波在空气中传播速度较慢，为344m/s（20℃时）速度低、波长短，意味着可获得较高的距离、方向分辨率
8. 声波随距离增加，声能减弱较快，所以超声波不能进行较远距离传播
9. 超声波频率越高，衰减越快
10. 压电式超声波探头的发射元件利用压电材料的逆压电效应；接收元件利用压电材料的正压电效应
11. 超声探头与被测物体接触时，必须要在被测物体上涂上耦合剂，将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中

六、半导体化学传感器

气敏传感器

1. 制造半导体陶瓷湿敏元件的材料，主要是不同类型的金属氧化物
2. 气敏传感器检测气体的成分和浓度
3. 空气的饱和水汽压与温度成正比
4. 按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型
5. 光电式传感器是将光信号转换成电信号的传感器
6. 电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化
7. 当氧化型气体吸附到N型半导体上，使载流子减少，电阻率上升；当还原型气体吸附到N型半导体上，载流子增多，电阻率下降
8. 电阻型传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成
9. 电阻型半导体气敏传感器测量电路包括加热回路和测试回路两部分
10. 非电阻型半导体气敏传感器的主要类型：

• 利用MOS二极管的电容-电压特性变化;
• 利用MOS场效应管的阈值电压的变化;
• 利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化。

11. 非电阻型半导体气敏传感器利用晶体管参数进行气体检测，多为氢敏传感器

湿敏传感器

1. 相对湿度是气体的绝对湿度与在同一温度下水蒸气已达到饱和的气体的绝对湿度之比
2. 绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量
3. 负特性半导瓷湿敏传感器，随湿度的增加而电阻下降
4. 制造半导体陶瓷湿敏元件的材料，主要是不同类型的金属氧化物
5. Fe3O4湿敏元件包括电极、基片、感湿膜
6. 温度越高，空气的饱和绝对湿度越大
7. 空气的饱和水汽压与温度成正比