《壓電式傳感器》PPT課件

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1、1,第6章 壓電式傳感器,壓電式傳感器是一種以壓電材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)能夠?qū)⒎请娏哭D(zhuǎn)換成電量的傳感器。因?yàn)閴弘娦?yīng)可輸出電荷，壓電式傳感器也稱有源傳感器或發(fā)電式傳感器，又因?yàn)閴弘娦?yīng)具有正壓電、逆壓電兩種效應(yīng)，也稱雙向傳感器。壓電傳感器尺寸小，質(zhì)量輕，工作頻率寬，可測量變化很快的動態(tài)壓力、加速度和振動等。,,2,壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的等效電路和測量電路壓電式傳感器的應(yīng)用:了解壓電式測力傳感器、壓電式加速度傳感器 要求掌握壓電式傳感器的工作原理，能夠分析測量電路原理，熟悉壓電式傳感器應(yīng)用的原理分析,,壓電效應(yīng)、 壓電材料 壓電式傳感器,,等效電路、 測量電路,本章

2、主要內(nèi)容：,3,6.1 壓電效應(yīng)及工作原理,某些離子型晶體的電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，就會引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。當(dāng)外力去掉后，極化現(xiàn)象消失，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。 通常把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。,1. 壓電效應(yīng)：,4,當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，會引起電介質(zhì)內(nèi)部電荷中心轉(zhuǎn)移，而導(dǎo)致電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)外電場消失后，這些變形也隨之消失。這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（或稱電致伸縮效應(yīng)）。,2.逆壓電效應(yīng)：,5,因此，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的

3、相互轉(zhuǎn)換，不需要外界輔助電源，是一種典型的有源傳感器。,圖6-1 壓電效應(yīng)可逆性,正壓電效應(yīng),,逆壓電效應(yīng),,6,3、壓電材料,具有壓電效應(yīng)的材料就稱為壓電材料。,在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱不能應(yīng)用。,常見的性能優(yōu)良的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。 壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)；多晶體壓電陶瓷（人造陶瓷）有鈦酸鋇（BaTiO3)壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O3)系壓電陶瓷等。,下面以石英晶體和壓電陶瓷為例說明壓電效應(yīng)。,7,如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。,6.1.1 石英晶體的壓電效應(yīng)

4、,8,天然形成的石英晶體外形,9,石英晶體各個方向的特性是不同。 為了表示晶體方向性，晶體學(xué)中常用笛卡爾坐標(biāo)系，即用三根相互垂直的軸來表示。 其中縱軸z軸，通過正六面體棱線，也稱為光軸， x軸，為經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的方向。因?yàn)檠豿軸的力作用下壓電效應(yīng)最強(qiáng)最明顯，所以x軸也稱為電軸， y軸，與x-x和z-z軸同時(shí)垂直的軸。因?yàn)殡妶鲎饔孟?，沿此軸方向機(jī)械變形最明顯，故也稱為機(jī)械軸。,,,,10,通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸YY方向的力 用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,圖6-2 石英晶體

5、(b) 切割方向； (c) 晶片,11,圖6-3是一個單元組體組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在xy平面投影， 如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中 正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理,硅氧離子的排列示意圖 (a)硅氧離子在x-y平米昂上的投影 (b)等效為正六邊形排列的投影,石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。,12,下面討論石英晶體在外力作用時(shí)晶格的變化情況。 （1）當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 。此時(shí) 正負(fù)電荷

6、中心重合，電偶極矩的矢量 和等于零，即如圖6-3（a）所示。,圖6-3 石英晶體晶格分布 (a),13,（2）當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力時(shí)，晶體沿x軸方向收縮變形，正負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖6-3（b）所示，此時(shí)正負(fù)離子中心不重合，P1減小，P2，P3增加，電偶極矩在三個方向的分量為:,在x軸正方向出現(xiàn)正電荷，y、z方向不出現(xiàn)電荷,圖6-3 石英晶體晶格分布(b),,14,（3）當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的拉力時(shí)，晶體沿x軸方向拉伸變形，正負(fù)離子相對位置也隨之發(fā)生變化，如圖6-3（C）所示，此時(shí)正負(fù)離子中心也不重合，P1增大，P2、P3減小，電偶極矩在三個方向的分量為,在x軸正方向出

7、現(xiàn)負(fù)電荷，yz方向不出現(xiàn)電荷,由此可見，當(dāng)晶體受到x軸方向的作用力時(shí)，它都在X軸方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、Z軸不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,圖6-3 石英晶體晶格分布,15,（4）當(dāng)石英晶體沿y軸方向受到F y作用的情況與F x作用相似。當(dāng)Fy為壓力時(shí)與Fx為拉力相似， 當(dāng)Fy為拉力時(shí)則與Fx為壓力相似。,當(dāng)Fy為壓力時(shí)， 在x軸正方向出現(xiàn)正電荷，其他方向不出現(xiàn)電荷； 當(dāng)Fy為拉力時(shí)，在x軸正方向出現(xiàn)負(fù)電荷，其他方向不出現(xiàn)電荷；,由此可見，當(dāng)晶體受到Y(jié)軸方向的作用力時(shí)，仍然在X軸方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、Z軸不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,因此：,Fy為壓力時(shí)與Fx為拉力相似,Fy為拉力時(shí)則與Fx為壓力相似,16,（5

8、）當(dāng)石英晶體沿Z軸方向受到作用力時(shí)，因?yàn)榫w沿x方向和y方向的形變完全相同，正負(fù)電荷中心仍保持重合，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,因此，石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，外力作用，使得內(nèi)部晶格分布發(fā)生變化，正負(fù)離子電偶極矩發(fā)生變化，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，出現(xiàn)電荷。,17,為分析不同方向施加作用力時(shí)的壓電效應(yīng)，從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，晶片厚度為b，高度為c，長度為a。如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。,石英晶體壓電效應(yīng)工作原理,圖6-2 石英晶體 (b) 切割方向； (c) 晶片,18,當(dāng)沿電軸x方向施加作用力Fx時(shí)，晶片厚度b

9、產(chǎn)生變形并發(fā)生極化現(xiàn)象，在與電軸x垂直的平面上產(chǎn)生電荷。,式中,Pxx為沿x軸的極化強(qiáng)度， 數(shù)值上等于與x軸垂直的晶面上的電荷密度，即； xx為與x軸垂直平面受到的應(yīng)力，即； d11為x方向受力的壓電系數(shù)。,,根據(jù)晶體極化理論，在晶體形變線性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度Pxx與應(yīng)力xx成正比，即：,,,qxx為與x軸垂直的晶面上的電荷,19,極間電壓Ux,式中：b為晶片厚度；Ex為沿x軸方向的電場強(qiáng)度，它等于外力Fx 作用下垂直于x軸兩晶面產(chǎn)生的電荷qxx在晶面間的電場強(qiáng)度。,,由晶體學(xué)知：晶體應(yīng)變大小與電場強(qiáng)度成正比，也就是：,根據(jù)逆壓電效應(yīng)，此時(shí)晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即發(fā)生應(yīng)變。,Cx為兩電極面間

10、的電容,20,在X軸方向施加壓力時(shí)，石英晶體的X軸正向帶 正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面 上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。,21,（2）若沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷q xy，電荷極性見圖。此時(shí)有：,,式中，P xy為沿x軸的極化強(qiáng)度 ； yy為垂直于y軸的平面應(yīng)力；d12為y方向受力的壓電系數(shù)。,22,此時(shí)x軸兩晶面電極之間將存在電場Ex，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在y軸將發(fā)生壓縮變形，即。,根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=d12，則上式為,則其極間電壓為,23,以上的分析可見： （1）正壓電效應(yīng)時(shí)，其石英晶體產(chǎn)生的電荷與作用

11、力成正比關(guān)系。,（3）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向一定存在逆壓電效應(yīng)。,石英晶體壓電效應(yīng)小結(jié),（2）逆壓電效應(yīng)時(shí)，其石英晶體產(chǎn)生的應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比關(guān)系。,（4）石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。,24,6.1.2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),1.壓電陶瓷的自然狀態(tài),壓電陶瓷是以鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛等為基本材料，經(jīng)粉碎和高溫?zé)Y(jié)得到的一種人造多晶體。 原始壓電陶瓷沒有壓電性，但在內(nèi)部有自發(fā)電疇（電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域），這些電疇具有一定極性，從而存在一定電場，在沒有外電場作用時(shí)，各電疇在晶體中雜亂分布，它們的極性被相互抵消，因此原始壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，呈中性，不具有壓電性質(zhì) 。,

12、圖6-4 原始狀態(tài)的壓電陶瓷,,電偶極矩微小區(qū)域,,2. 壓電陶瓷的極化狀態(tài) 在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。外電場去掉后，材料內(nèi)部仍有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，同時(shí)在壓電陶瓷片的一端內(nèi)部出現(xiàn)正極性的束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)極性的束縛電荷。這些內(nèi)部的束縛電荷，能很快吸附來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用，如下圖所示。,束縛電荷,圖6-5 壓電陶瓷的極化處理,當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進(jìn)行測量時(shí)，卻無法測出

13、陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。,26,1）壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 如果在極化處理后的壓電陶瓷片上施加一個與極化方向平行的壓力，壓電片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小，致使內(nèi)部的束縛電荷變少，導(dǎo)致被吸附在外面電極上的自由電荷有一部分被釋放，呈現(xiàn)放電狀態(tài)。 當(dāng)外力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，內(nèi)部束縛電荷增加，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象 這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)，也就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明放電電荷與外力成正比，也即是：,27,2）壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng) 在壓電陶

14、瓷片上施加一個與極化方向相同的電場E。 由于電場方向與極化方向相同，所以電場的作用將使得極化強(qiáng)度增大，從而使極化分子間距增加，導(dǎo)致陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長變形。同理，若改變電場方向同極化方向相反，則陶瓷片將沿極化方向產(chǎn)生壓縮變形。 這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者說由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明變形與電場之間的關(guān)系為：,,圖6-7 逆壓電效應(yīng)示意圖,28,以上的分析可見： （1）壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，是由于其內(nèi)部存在著自發(fā)極化電疇，經(jīng)極化工序處理后被迫取向排列，使內(nèi)部存在剩余極化強(qiáng)度，在外電場（或外力）的作用下，能使極化強(qiáng)度變化，導(dǎo)致陶瓷片出現(xiàn)壓電效應(yīng)。,（2）壓電

15、陶瓷的極化電荷是束縛電荷，它們不能自由移動，壓電陶瓷產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷片內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化引起束縛電荷變化，引起電極面上的自由電荷釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。,小結(jié),29,壓電陶瓷和石英晶體比較： 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。 極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。,比較,30,壓電式傳感器就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。 1、壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量，而適用于動態(tài)測量。 由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況

16、下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的， 因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷才可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動態(tài)測量。,6.1.3 壓電式傳感器,31,單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量很小，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。 由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。,圖6-5 壓電元件連接方式 (a) 并聯(lián)連接； (b) 串聯(lián)連接,2、壓電元件的連接,32,(1)并聯(lián)使用：,輸出電容為：,輸出電壓為：,輸出電荷為：,輸出電荷大，電荷靈敏度提高； 本身電容大，

17、 時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號的場合。,33,(2)串聯(lián)使用：,輸出電容為：,輸出電壓為：,輸出電荷為：,輸出電壓大，電壓靈敏度提高，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。 ,34,壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)線性度不好，因此，需要加入預(yù)加力，稱為預(yù)載，以消除低壓力使用中的非線性外。,,3、壓電元件的預(yù)載,,35,6.2 壓電式傳感器測量電路,當(dāng)壓電元件受力時(shí)，在兩個相應(yīng)極面上出現(xiàn)等值的正負(fù)電荷，因此，可將壓電元件看作是一個電荷源與壓電晶體等效電容相并聯(lián)的電路。,6.2.1 壓電式傳感器的等效電路,36,由于兩個極板面上分別聚集了不同極性的正負(fù)電荷，，板間就會

18、呈現(xiàn)出一定的電壓，兩個極板間的電壓為：,因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca 的串聯(lián)電路，如圖(b)。,37,壓電元件在實(shí)際使用時(shí)總要與測量儀器或測量電路相連接，如下圖6-9所示。因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻R i , 輸入電容C i以及壓電元件的泄漏電阻Ra。,圖6-9 壓電傳感器實(shí)際連接電路,3、實(shí)際等效電路,連接電纜,,38,圖6-10 壓電傳感器的實(shí)際等效電路 （a） 電壓源; （b） 電荷源,這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路， 如圖6 -10所示。,連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻R i , 輸入電容C i以及壓電元件的泄漏

19、電阻Ra,39,可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與上相適應(yīng)，測試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。,40,由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）,前置放大器電路有兩種

20、形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。,6.2.2 壓電式傳感器的測量電路,前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。,41,1. 電壓放大器 圖6-11（a）、(b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。,圖 6-11 電壓放大器電路原理及其等效電路圖 （a） 電壓放大器電路; （b） 等效電路,（a）,（b）,,,,,A,,,,U0,,,,,Ci,,

21、,,,Ri,,,,,C,e,,,,Ra,,,,,Ua,Ca,,,Ui,42,式中： Um壓電元件輸出電壓幅值，Um= dFm/Ca； Fm作用力的幅值；d壓電系數(shù)；作用動態(tài)力的變化頻率。,圖中，等效電阻,若壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，則壓電元件上產(chǎn)生的電荷為：,等效電容C= Cc+Ci,壓電元件上產(chǎn)生的電壓為：,圖6-11(b),43,設(shè)Z為R和C并聯(lián)后的阻抗，則,,,Ca,(1),(2),44,輸入電壓Ui和作用力f之間相位差為,45,在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即(Ca+Cc+Ci) R1，那么，輸入電壓幅值Uim為,上式表明理想情況時(shí)

22、前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與無關(guān)，0表示測量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即,這表明在測量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，也就是測量電路輸出與被測信號頻率無關(guān)。,46,當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵ㄟ^放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。,47,當(dāng)被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時(shí)間常數(shù)不大時(shí)，會造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時(shí)間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來提高時(shí)間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓

23、靈敏度Ku的定義得,因?yàn)镽1，故上式可以近似為,可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時(shí)Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。,48,因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測量誤差。,49,例：一只壓電式加速度計(jì)，供它專用的電纜長度為1.2m，電纜電容為100pF，壓電片本身電容為1000pF。出廠時(shí)標(biāo)定的電壓靈敏度為100v/g(g為重力加速度），若使用中改用另一根長為2.9m的電纜，其電容量為300pF，問電壓靈

24、敏度會不會改變，如何改變？,Ua,將壓電式加速度計(jì)等效為電壓源，不考慮其泄露電阻，其等效電路如圖所示。輸出電壓為：,電纜電容改變?yōu)镃c時(shí)，輸出電壓變?yōu)椋?壓電式加速度計(jì)的電壓靈敏度與輸出電壓成正比，所以更換電纜后，靈敏度變?yōu)椋?50,電荷放大器由一個反饋電容C f和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。,2. 電荷放大器,若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋電容CF。由圖可知i的表達(dá)式為：,51,根據(jù)該式畫出等效電路圖(b),反饋電容CF等效到A0的輸入端時(shí)，電容CF將增大(1A0)倍。所以圖中C=(1 A0)CF；這就是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果

25、。,52,運(yùn)放輸入電壓,運(yùn)算放大器輸出端電壓為：,通常A=104108 ,（A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，則上式可近似為：,53,說明電荷放大器輸出電壓只與電荷q、反饋電容Cf有關(guān)，與放大倍數(shù)及電纜電容無關(guān),當(dāng)A0足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。,反饋電容Cf為常數(shù)時(shí)，輸出電壓與電荷q成正比。 反饋電容增大，輸出電壓將減小，所以應(yīng)選擇合適的反饋電容Cf值。CF一般取值100-104pF。,54,6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用,6.3.1 壓電式測力傳感器 圖6-11是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上

26、蓋及基座等組成。,圖6-11 壓力式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖,傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測力范圍為050N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為5060 kHz，整個傳感器重為10 g。,55,6.3.2 壓電式加速度傳感器 圖6-12是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。,圖6-12 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖,56,當(dāng)加

27、速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即,F=ma,（6-14）,式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。 此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)， 則傳感器輸出電荷為,q=d11F=d11ma,與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。,57,,6.3.3 壓電式金屬加工切削力測量 圖6-13是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的

28、下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)， 切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。,圖6-13 壓電式刀具切削力測量示意圖,58,6.3.4 壓電式玻璃破碎報(bào)警器 BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器， 它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖6-14所示。傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100V， 內(nèi)阻抗為1520 k。,59,圖6-14 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器 （a） 外形; （b） 內(nèi)部電路,60,報(bào)警器的電路框圖如圖6-15所示。使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號經(jīng)放大后，需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi)， 這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會輸出報(bào)警信號，驅(qū)動報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。 玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺保管等場合。,61,圖6-15 壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖,,