检测与转换技术 教学课件 作者 郑骊 主编 霍平 主审 第5章 压电式传感器.ppt

尚辅网 尚辅网 * Date: * Page: * 尚辅网 第5章 压电式传感器 5.1压电效应与压电材料 5.2压电式传感器的测量电路 5.3压电式传感器的常用型号 5.4压电式传感器的应用 尚辅网 压电式传感器是一种典型的有源传感器，它利用了电介质物体在外力作用下会在其表面产生电荷的原理，来完成非电量的测量，故又称为自发电式传感器或电势式传感器 尚辅网 5.1压电效应与压电材料 5.1.1压电效应 某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种现象就称为压电效应。 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效应”。 在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 尚辅网 5.1.2压电材料 明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换，如图5-1所示。 目前应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类。 第一类是压电晶体，如石英晶体（SiO2）等； 第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 第三类是新型压电材料—高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯（PVF2）等。 尚辅网 5.2压电式传感器的测量电路 5.2.1压电式传感器的等效电路 为了更进一步分析和更有效地使用压电式传感器，有必要引入压电元件的等效电路。 当压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电传感器看做是一个静电荷发生器，而压电元件在这一过程中可以看成是一个电容器．其电容量Ca为 式中，S—为压电元件电极面面积，m2； d—为压电元件厚度，m； ?—为压电材料的介电常数，F/m； ?r—为压电材料的相对介电常数； ?0—为真空介电常数（8.85?10-12F/m）。 尚辅网 当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图5-5（a）所示。在开路状态，其输出端电荷为 当需要压电元件输出电压时，可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图5-5（b）所示。在开路状态，其输出端电压为 （a）电荷等效电路 （b）电压等效电路 图5-5 压电元件等效电路 尚辅网 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。 如图5-6所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。 （a）电荷等效电路 （b）电压等效电路 图 5-6 实际等效电路 尚辅网 5.2.2压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器本身的内阻抗很高，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的前置放大器。 其作用为： 把它的高输入阻抗（一般1 000 M?以上）变换为低输出阻抗（小于100?）；对传感器输出的微弱信号进行放大。 根据压电式传感器的两种等效方式可知，压电式传感器的输出可以是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 尚辅网 1．电荷放大器 在略去压电式传感器的泄漏电阻Ra和放大器输入电阻Ri两个并联电阻（理想情况下二者都为无穷大），将压电式传感器等效电容Ca、连接电缆的等效电容Cc、放大器输入电容Ci，合并为电容C后，电荷放大器等效电路如图5-7所示。它由一个反馈电容Cf和高增益运算放人器构成，图中A为运算放大器，它的增益为K。Rf的作用是为了稳定直流工作点，减小零点漂移，一般取Rf ?109?。 尚辅网 由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，当工作频率足够高时时，1/Rf ?Cf，忽略（1+K）/Rf，反馈电容折合到放大器输入端的有效电容为 因此其输出电压为 式中，负号表示放大器的输入与输出反相。 当K1（通常K=104～106），满足（1+K）Cf10（Ca+Cc+Ci）时就可将上式近似为 尚辅网 由此可见： 1）放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压UCf（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。 2）电荷放大器的输出电压UO，与电缆电容Cc无关，而与q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于q与被测压力成线性关系，因此，输出电压与被测压力