第5章2 压电式传感器.ppt

5.3 压电式传感器 (2)测量电路 二、压电式传感器等效电路和测量电路 b.电荷放大器: 由运算放大器基本特性可知，电荷放大器的输出电压 通常 ，故 ，则上式可近似表达为 （9） （10） 充电电压接近等于放大器的输出电压 几点结论： 1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关,而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系， 2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。 3、反馈电容Cf小，输出就大， 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。 5、输出电压与电缆电容无关条件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci） 5.3 压电式传感器 (2)测量电路 二、压电式传感器等效电路和测量电路 b.电荷放大器: 根据式（9）和式（10）可以看出，放大器的输出电压只与反馈电容有关，电缆连接电容对放大器的影响几乎可以忽略不计。 更换连接线缆时不会影响传感器的灵敏度，基于此，电荷放大器的应用日益增多。 5.3 压电式传感器 (2)测量电路 二、压电式传感器等效电路和测量电路 b.电荷放大器: 例2：压电陶瓷片d33=5×10-10C/N,用反馈电容Cf=0.01μF的电荷放大器测出输出电压幅值U0=0.4V，求所受力大小？ 解： 5.3 压电式传感器 (1)压电元件的串并联 三、压电式传感器的合理使用 a) 串联 b) 并联 图 15 两片压电晶片的连接 为提高灵敏度，实际压电式传感器中，往往采用两片或两片以上的具有相同性能的压电晶体片粘贴在一起使用，由于压电晶体片有电荷极性，因而接法有串联和并联两种，如图15所示。 5.3 压电式传感器 (1)压电元件的串并联 三、压电式传感器的合理使用 a) 串联 b) 并联 图 16 两片压电晶片的连接 图16(a):串联时，正电荷在上极板，负电荷在下极板，中间相互抵消。串联时，输出电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的两倍，总电容为单片电容的1/2。即 （11） 5.3 压电式传感器 (1)压电元件的串并联 三、压电式传感器的合理使用 a) 串联 b) 并联 图 16 两片压电晶片的连接 图16(b):两压电片的负极都集中在中间，并联时，输出电荷为单片上电荷的两倍，输出电压等于单片电压，总电容等于单片电容的两倍。即 （12） 5.3 压电式传感器 (1)压电元件的串并联 三、压电式传感器的合理使用 串联接法时： 输出电压高，本身电容小；适用于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况； 并联接法： 电荷输出大，本身电容也大，因而时间常数大，故适用于测量缓慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。 5.3 压电式传感器 (2)其他使用注意事项 三、压电式传感器的合理使用 压电片预应力 安装 合理的量程和频率选择 二次仪表选用 安装电缆选择 纵、横向压电效应选择 5.3 压电式传感器 (1)压电式加速度传感器 四、压电式传感器的应用 运动方向 2 1 3 4 5 图17 纵向效应型加速度 传感器的截面图 其结构一般有纵向效应型、横向效应型 和剪切效应型三种。纵向效应是最常见 的,如图17。压电陶瓷4和质量块2为环型， 通过螺母3对质量块预先加载，使之压 紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座 5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出 信号由电极1引出。 5.3 压电式传感器 (1)压电式加速度传感器 四、压电式传感器的应用 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因 此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方 向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性力作用在压电陶瓷 片上产生电荷为 q＝d33F＝d33ma （13） 此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压 电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择 压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动， 同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法 来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连 接方法也可提高传感器灵敏度。 5.3 压电式传感器 (1)压电式加速度传感器 四、压电式传感器的应用 压缩