第6章 壓電式傳感器

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1、第四節(jié)等效電路與測量電路一、等效電路壓壓電電晶晶體體承承受受被被測測機(jī)機(jī)械械應(yīng)應(yīng)力力的的作作用用時時，可可把把壓壓電電傳傳感感器器視視為為兩兩極極板板上上聚聚集集異異性性電電荷荷，中中間間為為絕絕緣緣體體的的電電容容器器。其電容量為其電容量為:其電壓：其電壓：因因此此，壓壓電電傳傳感感器器可可等等效效為為電電壓壓源源Ua和和一一個個電電容容器器Ca的的串串聯(lián)聯(lián)電電路路，如如圖圖(a)；也也可可等等效效為為一一個個電電荷源荷源q和一個電容器和一個電容器Ca的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖(b)。圖圖(a)圖圖(b)如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應(yīng)

2、考慮則應(yīng)考慮連線的等效電容連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。前置放大器的輸入電阻、輸入電容。Ca傳感器的固有電容傳感器的固有電容 Ci 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容 Cc 連線電容連線電容 Ra傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻前置放大器輸入電阻壓電傳感器的壓電傳感器的完整等效電路完整等效電路二、測量電路為了使壓電元件能正常工作，所采取的手段不從信號為了使壓電元件能正常工作，所采取的手段不從信號源吸取能量。源吸取能量。前置放大器作用：前置放大器作用：（1 1）放大壓電元件的微弱電信號。（將放大壓電元件的微弱電信號。（將QQ或或U U變?yōu)榉糯笞優(yōu)榉糯蟮碾妷盒?/p>

3、號）的電壓信號）（2 2）把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。）把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。前置放大器形式：前置放大器形式：電電壓壓放放大大器器，其其輸輸出出電電壓壓與與輸輸入入電電壓壓（傳傳感感器器的的輸輸出出電壓）成正比；電壓）成正比；電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。1、電壓放大器復(fù)數(shù)形式：復(fù)數(shù)形式：RiUCaCiCcRaU0UiZ-A如壓電元件受到交變力產(chǎn)生電荷則或放大器輸入端的電壓（按復(fù)數(shù)形式放大器輸入端的電壓（按復(fù)數(shù)形式）UCaCiCcRaU0UiZ-ARi其中令其中令幅頻特性為：幅值相位則當(dāng)時,其中令其中令為測量回路的時間常數(shù)。為測量回路的時

4、間常數(shù)。-3dB-3dB頻率時頻率時 RC=1RC=1，即即得得 L L=1/RC=1/=1/RC=1/。此時傳感器的電壓靈敏度為相對幅頻特性1.1.C C C Cc c c c和和C C C Ci i i i存在使電壓靈敏度變小，如更換電纜存在使電壓靈敏度變小，如更換電纜必須重新標(biāo)定。必須重新標(biāo)定。2.2.=0=0=0=0時，時，U U U Ui i i i=0=0=0=0，原理上不能測靜態(tài)量。原理上不能測靜態(tài)量。（因為放大器輸入阻抗不可能無限大，傳感器（因為放大器輸入阻抗不可能無限大，傳感器也不可能絕對絕緣，電荷在此處會泄漏。）也不可能絕對絕緣，電荷在此處會泄漏。）時，時，k k k k1

5、 1 1 11 1 1 1，高頻響應(yīng)很好。高頻響應(yīng)很好。3.3.當(dāng)當(dāng) 3 3 3 3時，放大器的輸入電壓與作用力時，放大器的輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。的頻率無關(guān)。當(dāng)當(dāng) 一定時，一定時，越高，實際輸入電壓越接越高，實際輸入電壓越接近理想情況。近理想情況。結(jié)論：4.4.為了擴(kuò)展測量頻率下限，應(yīng)設(shè)法增大為了擴(kuò)展測量頻率下限，應(yīng)設(shè)法增大 ，唯一的辦，唯一的辦法是提高前置放大器的輸入阻抗法是提高前置放大器的輸入阻抗R Ri i，但，但R Ri i和和R Ra a要相適要相適應(yīng)，一個增大，另一個不增大將是無用的。應(yīng)，一個增大，另一個不增大將是無用的。另外輸入阻抗的提高將易于引入外界干擾，所以要注另外輸入

6、阻抗的提高將易于引入外界干擾，所以要注意屏蔽。還有也可增加意屏蔽。還有也可增加C C，但靈敏度會降低。但靈敏度會降低。電路簡單、元件少、體積小電路可靠、價格低電纜長度有限（1.2m)，不能更換電路特點：2、電荷放大器實質(zhì)是一個具有深實質(zhì)是一個具有深度電容負(fù)反饋的高度電容負(fù)反饋的高增益放大器。增益放大器。（由（由“密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)”的的結(jié)果或結(jié)果或“虛地原理虛地原理”得到。）得到。）QRF/(1+A)Z(1+A)CFCaCcRaU0UiRiCi-AQRF/(1+A)Z(1+A)CFCaCcRaU0UiRiCi-A令令則則1 1）有）有R RF F時時當(dāng)當(dāng)A A很大時，很大時，則所以U U0 0與

7、與C CF F有關(guān)有關(guān)，與，與C Ca a，C CC C無關(guān)，所以電纜長度不限。無關(guān)，所以電纜長度不限。a.a.高頻：當(dāng)高頻：當(dāng) 時，時，U U0 0=-Q/C=-Q/CF F。U U0 0與與A A無關(guān)，無關(guān)，C CF F的溫度和時間穩(wěn)定性要好！的溫度和時間穩(wěn)定性要好！一般取一般取1001000pF1001000pF可調(diào)電容。可調(diào)電容。b.b.低頻：低頻：-3dB-3dB頻率，頻率，R RF FC CF F=1=1，得得 L L=1/R=1/RF FC CF F=1/=1/.由于由于R RF F和和C CF F此時比較大此時比較大,所以下限頻率所以下限頻率 較小。較小。例如：例如：C CF

8、F=1000pF=1000pF，R RF F=10=109 9 時，時，L L=1=1，f fL L=L L/2 /2 =1/2 =1/2 =0.16Hz=0.16Hz。2 2）無）無R RF F時時a.a.高頻：高頻：時，時，U U0 0=-Q/C=-Q/CF F。與有與有R RF F相同。相同。b.b.低頻：下限截止為低頻：下限截止為 RACRACF F=1=1，所以所以 L L=1/ARC=1/ARCF F。電荷放大器的下限截止頻率比電壓放大器下降電荷放大器的下限截止頻率比電壓放大器下降A(chǔ) A A A倍。這是一個優(yōu)點。倍。這是一個優(yōu)點。這時如果選這時如果選C CF F=C=C，即與電壓放

9、大器相比，輸出即與電壓放大器相比，輸出電壓一樣大，電壓一樣大，（此時穩(wěn)態(tài)輸出為（此時穩(wěn)態(tài)輸出為 U U0 0=-Q/C=-Q/CF F=Q/C=Q/C）上式中1.1.電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，而且當(dāng)有關(guān)，而且當(dāng)（1+A1+A）C CF F1010（C Ca a+C+Cc c+C+Ci i）以上以上時，可認(rèn)為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)。更時，可認(rèn)為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)。更換電纜或需要使用較長的電纜（數(shù)百米）時，無換電纜或需要使用較長的電纜（數(shù)百米）時，無需重新校正傳感器的靈敏度。需重新校正傳感器的靈敏度。2.2.電荷放大器

10、的下限截止頻率低到電荷放大器的下限截止頻率低到3 3 1010-6-6HzHz，上限上限頻率高達(dá)頻率高達(dá)100kHz100kHz，輸入阻抗大于輸入阻抗大于10101212 ，輸出阻，輸出阻抗小于抗小于100100 ，因此壓電傳感器配用電荷放大器時，因此壓電傳感器配用電荷放大器時，低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多，可對準(zhǔn)靜低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多，可對準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行有效的測量。態(tài)的物理量進(jìn)行有效的測量。結(jié)論：3.3.上限頻率與兩個因素有關(guān)：上限頻率與兩個因素有關(guān)：a a）運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng)b b）電纜很長，雜散電容和電纜電容增加，導(dǎo)線電纜很長，雜散電容和電纜電容

11、增加，導(dǎo)線電阻也增加，會影響高頻特性，但影響不大。電阻也增加，會影響高頻特性，但影響不大。例如例如100m100m電纜的電阻僅為幾歐到幾十歐，故電纜的電阻僅為幾歐到幾十歐，故對頻率上限影響可以忽略。對頻率上限影響可以忽略。第六節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用舉例壓電晶體振蕩器石英晶片的兩個面上各噴涂一層銀(或金)，然后引出電極并加以封裝，就構(gòu)成了一個石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-9日。石英電子表和電腦都是利用石英晶體提供基準(zhǔn)頻率的。PC機(jī)從誕生到現(xiàn)在，主板上也一直使用一顆14.318MHz的石英晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率源。壓電式力傳感器車床中用于動態(tài)切削力的測量壓電式微位移傳感器（輪廓

12、儀）壓電式微位移傳感器（輪廓儀）壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器高頻動態(tài)壓力測量，風(fēng)洞壓力測量等爆炸物理（槍膛，爆炸室等），發(fā)動機(jī)缸壓、爆振監(jiān)測壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 低頻可擴(kuò)展到低頻可擴(kuò)展到0.3Hz0.3Hz0.3Hz0.3Hz，高頻高頻可達(dá)幾十可達(dá)幾十kHzkHzkHzkHz。安裝方便，安裝方便，適用于各種惡劣的環(huán)境。體適用于各種惡劣的環(huán)境。體積小，重量輕，高靈敏度，積小，重量輕，高靈敏度，能測較小的加速度。能測較小的加速度。世界各國作為中頻和高頻振世界各國作為中頻和高頻振動基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)加速度計。動基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)加速度計。（一）結(jié)構(gòu)和工作（一）結(jié)構(gòu)和工作原理原理a.a.單端中心壓

13、縮式單端中心壓縮式b.b.梁式梁式c.c.挑擔(dān)式挑擔(dān)式流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。相對于固定座標(biāo)系(如管壁)，順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。發(fā)射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。壓電式流量計壓電式流量計發(fā)射超聲波時是利用負(fù)壓電效應(yīng)，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。接受換能器則利用正壓電效應(yīng)，將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號。集成壓電式傳感器 高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料

14、，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點。典型應(yīng)用：脈搏計數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等 脈搏計粘貼粘貼位置位置 玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置*壓電式傳感器的誤差一、環(huán)境溫度的影響一、環(huán)境溫度的影響1.1.壓電元件的壓電系數(shù)幾乎不變壓電元件的壓電系數(shù)幾乎不變;2.;2.熱釋電效應(yīng)的熱釋電效應(yīng)的影響影響;3.;3.熱引起機(jī)械變形。熱引起機(jī)械變形。二、濕度的影響二、濕度的影響三、橫向靈敏度和它所引起的誤差三、橫向靈敏度和它所引起的誤差橫向靈敏度指在與主軸正交方向上的加速度作用下，橫向靈敏度指在與主軸正交方向上的加速度作用下，傳感器也有信號輸出，則此輸出信號與橫向作用傳感器也有信號輸出，則此輸出信號與橫向作用的加速度之比稱為傳感器的橫向靈敏度。的加速度之比稱為傳感器的橫向靈敏度。四、電纜噪聲四、電纜噪聲五、接地回路噪聲五、接地回路噪聲電荷放大器外形電荷放大器外形ThanksThanks！Bye!Bye!