第6章 压电式传感器12483.ppt

压电元件的连接 根据上式画出等效电路图 －A0 Ca Ra R’ C’ USC U∑ q CF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1＋A0)倍。电导1／RF也增大了(1＋A0)倍。所以图中C?=(1＋A0)CF；1/R?=(1＋A0)1／RF，这就是所谓“密勒效应”的结果。 运放输入电压 输出电压 当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1／RFωCF,则 若考虑电缆电容Cc，则有 可见当A0足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入电荷q和反馈电容CF，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。 CF一般取值100-104pF。 运算放大器的开环放大倍数A0对精度有影响，当频率很高时，则 及 由此得A0＞105。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。 例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)×100m=105pF,当要求δ≤1%时，则有 则可计算产生的误差为 当工作频率ω很低时，分母中的电导[1/Ra+(1+A0)/RF]与电纳jω[Ca＋Cc＋(1+A0)CF]的值相当，电导就不可忽略。此时A0足够大，则 其幅值为 当1/ RF = ω CF时 可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应的下限截止频率为可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF＞109Ω。 四、压电式传感器的应用 （一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用 USC与q间的相位误差当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动方向 2 1 3 4 5 纵向效应型加速度 传感器的截面图 （一）?? 压电式加速度传感器 其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。 q＝d33F＝d33ma *是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 第四节? 压电式传感器? 一、压电效应 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 （一）石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形(b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(b) (a) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影 +当作用力FX=0时，正、负