第06章+压电式传感器.ppt

压电材料可实现机－电能量的相互转换. 如图示可逆性： 根据电压灵敏度Km的定义， 当ω(Ca+Cc+Ci)R1 时，传感器电压灵敏度Ku表达式如下： 压电式传感器的测量电路 电荷放大器 BZ-8701A袖珍式测振仪 压电式传感器 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri , 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图6 - 8所示。 图6-8 压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 6.2.2 压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 1. 电压放大器（阻抗变换器） 图6-9（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。 在图6-9（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为 （6-6） 式中： Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；  d——压电系数。 图 6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 . (6-7) Ui的幅值Uim为 . (6-8) 输入电压和作用力之间相位差为 (6-9) 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 (6-10) 式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在ω/ω03时，就可以认为Uim与ω无关，ω0表示测量电路时间常数之倒数，即 这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。  当ω(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换， 否则将引入测量误差。 2. 电荷放大器 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。 （6-11） 式中 ： uo——放大器输出电压；  uf——反馈电容两端电压。 由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 （6-12） 通常K=104~108，因此,当满足(1+K)CfCa+Cc+Ci时，式（6-12）可表示为 （6-13） 由式（6-13）可见，电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100~104pF。 采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此，零漂较大，采用电阻Rf负反馈改善。 * 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用 6.1 压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着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便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效应”。 相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换，如图6 - 1所示。 ? 图6-1 压电效应可逆性