ch5.3 压电式传感器.ppt

* （二）电荷放大器 电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012Ω以上）。且有 * 将反馈电容折合到输入端,可得电荷放大器的等效电路如下： 同样可求得输入电压： 其中， * 则输入电压幅值 则输出电压为 若 则 * 结论： 在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc、Ci无关。 电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。 若 则 * 只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电容量Q变化成线性关系的输出电压。 在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测量的大小，以及后续放大电路不致因输入信号太大而导致饱和，反馈电容Cf的容量做成可选择的，选择范围在100~10000pF之间。选择不同的反馈电容，可改变前置放大器的输出大小。 由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻Rf（约1010~1014Ω），作用是提供直流反馈。 * 电压放大器和电荷放大器比较： 电荷放大器允许使用长电缆，而电压放大器使用长电缆会影响传感器的测量精度； 电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之； 电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。 电荷放大器的时间常数RfCf很大（105s以上），因此其下限截止频率 低达3×10-6Hz。 * 基于正压电效应的力-电转换型：首先把被测量转换成力，然后再测量。 基于逆压电效应的谐振型：用压电谐振器作为敏感元件，利用被测量调制压电谐振器的参数（如频率）来实现测量。 不适于测量缓慢变化的信号， 广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。 第三节 压电式传感器的应用 * 压电式传感器的特点： 能量转换型（发电型）传感器； 体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围； 灵敏度高，稳定性好，可靠； 有比较理想的线性，且通常没有滞后现象； 低频特性较差，主要用于动态测量； 应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆。 * 一、压电式加速度传感器 压缩型结构图 压电元件——质量块——弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。 利用压电效应，在加速度计受振动时，质量块加在压电元件上的力（F=ma）也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压（或电荷）与被测加速度成正比。 * 5.3 压电式传感器 第一节 压电效应和压电材料 第二节 测量电路 第三节 压电式传感器的应用 * 压电式传感器：将被测量变化转换成由于材料受机械力而产生的静电电荷或电压变化的传感器。 压电传感器主要用于测量力以及那些可以转换为力的其它物理量（如应力、压力、加速度等）。 * 第一节 压电效应及压电材料 （一）正压电效应和逆压电效应 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。 正压电效应：这种将机械能转换为电能的现象称为正压电效应。发生正压电效应时，外力作用方向改变，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 一、压电效应 * 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质能产生机械振动，即压电材料在电极方向上有伸缩的现象，电场去掉后，电介质的变形随之消失的现象。 用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。 压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。 * 压电元件变形方式 (a)厚度变形(TE); (b) 长度变形(LE)； (c) 体积变形(VE)； (d)面切变形(FS)； (e) 剪切变形(TS) * 电致伸缩效应：即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。 压电效应可逆性 * （二）压电陶瓷的压电效应 具有压电效应的物质主要分为单晶体和多晶体两类。 最常用的单晶体是天然形成的石英晶体。多晶体压电材料主要是人工制造的压电陶瓷。以压电陶瓷为例。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向