传感器第十一课.ppt

使用电压放大器时，测量系统对电缆电容的变 化很敏感，连接电缆长度的变化明显影响测量系 统的输出； 使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响几乎 可忽略不计。 但与电压放大器相比，电荷放大器价格要高很 多，电路也较复杂，调整起来也较困难。 高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 * * 压电陶瓷：属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶体压电材料, 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构. ∴原始的压电陶瓷内呈中性 不具有压电性质。 2. 压电陶瓷 极化处理前 (a)极化处理前 剩余极化强度 剩余伸长 (c)极化处理后 直流电场E 电场作用下的伸长 (b)极化处理中 施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向 外电场方向排列。从而使材料得到极化。 问题 （ 1）压电效应 ∴电压表不能测出 陶瓷片内的极性 －－ － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 自由电荷 束缚电荷 电极 电极 极化方向 陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图 实线--形变前的情况， 虚线--形变后的情况 机械效应→电效应或者 机械能→电能的现象 就是正压电效应 正压电效应示意图 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 极化方向 F － ＋ 正压电效应 d33— 压电陶瓷的压电系数 逆压电效应示意图 － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － 极化方向 电场方向 Ｅ 实线--形变前的情况，虚线--形变后的情况 电效应→机械效应或者 电能→机械能的现象 就是逆压电效应 逆压电效应 比 较 石英晶体： 居里点温度高（573摄氏度），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷： 压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。 由于单片压电元件产生的电荷量甚微，制作压电传感器时，为了提高其输出灵敏度，通常采用增加压电片的数目和适当的连接方式。 6.2 工作原理 压电元件的连接方式 并联 串联 一、连接方式 并联方式 特点：输出电荷大、时间常数大 适宜测慢速信号以电荷为输出的场合 特点：输出电压大、时间常数小 适宜以电压为输出信号输入阻抗很高的场合 串联方式 压电传感器可以看作电荷发生器,图(a) 二、等效原理 同时,它也是一个电容器, 晶体上聚集正、负电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质,图(b) ＋＋＋＋ ―――― q 电极 压电晶体 (a) 压电传感器的等效原理 q Ca (b) 当两极板聚集异性电荷时, 则两极板呈现一定的电压, 大小为 电容量 （a）等效电压源 （b）等效电荷源 Ca ua （a）电压源 q Ca （b）电荷源 注意：压电晶体不适合于静态测量。 由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的， 压电式传感器与测量仪表连在一起后的完整电路 6.2.3 压电式传感器的测量电路 压电式传感器是有源电容器 高内阻；小功率（信号弱） 阻抗变换 放大 根据压电传感器等效电路可知，传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号∴有相应两种形式 （1）电压放大器：也称作阻抗变换器，其输出电压 与输入电压（传感器的输出电压） 成正比 （2）电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比 电压放大器（阻抗变换器） f= Fmsinωt 如果压电元件受正弦力的作用， 理想情况下，输入电压的幅值为： Ui的幅值Uim为 . （a）当为静态力时(ω=0)时，前置放大器的输入电压=0 所以压电传感器不能测量静态物理量。 结 论： （b）理想情况下，改变电缆长度时，Ce的变化将引起放大器Uim的变化∴测量中通常电缆长度需固定(Ce=常数)， 否则将引入测量误差。 电荷放大器具有深度负反馈的高增益放大器，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A构成。 由于放大器的开环增益A 足够大，并且