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中南大学交通运输学院 第三章、传感器测量原理 3.5压电式传感器: 可逆型传感器，机械能 电能 1.变换原理: 压电效应 某些物质受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。 一、 石英晶体 石英晶体是单晶体结构,它是一个正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。 光轴 电轴 机械轴 第三章、传感器测量原理 3.5 压电式传感器等效电路 压电传感器可视为电荷发生器，又相当于一个电容器，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。静态或准静态测量时，需采用极高阻抗的负载；动态测量时，漏电量相对较小，宜作动态测量。 F + + 并联 + 串联 q=DF 并接时电容量大，输出电量大，时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。 串接法传感器本身电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。 + + + － + + － 第三章、传感器测量原理 3.5 压电式传感器等效电路 R0 U0 Ca Cc Ci q 为了有一定的输出电压，并实现不失真测试，压电式传感器必须有高输入阻抗，并在输入端并联电容， 第三章、传感器测量原理 电压放大器等效电路 电缆长度对灵敏度影响很大 需先输入前置放大器，将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，并放大传感器输出的微弱信号。 两种形式：电阻反馈的电压放大器，电容反馈的电荷放大器 传感器电容 电缆电容 外接电路电容 第三章、传感器测量原理 电荷放大器等效电路 电缆长度对灵敏度无影响 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中。 压电式传感器的性能 3.5压电式传感器 压电式传感器的内阻很高，产生的电荷量很小，易受传输电缆杂散电容的影响，必须采用阻抗变换器或电荷放大器。 在低频振动时，压电式加速度计振动圆频率小，受灵敏度限制，其输出信号很弱，信噪比差。 横向输出：一种干扰、产生测量误差。使用时，应力求使最小横向灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合。 压电式传感器的应用 3.5压电式传感器 测量力、压力、振动加速度，也用于声学和声发射等的测量 压电式压力传感器：测量范围（10-3N~104KN ），动态范围为60dB,测量方向有单方向的，也有多方向的。 两种形式：利用膜片式弹性元件，通过膜片承压面积将压力转化为力，膜片中间有凸台，凸台背面放置压电片。 利用活塞的承压面承受压力，并使活塞所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上。 压电式加速度传感器：压电片处于传感器壳体和质量块之间，用强弹簧将质量块、压电片紧压在壳体上。 压电加速度传感器的工作原理 压电加速度传感器由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大,即可由仪器测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加速度。 ? 3.5压电式传感器 3 应用 b) 压力变送器 3.5压电式传感器 a) 加速度计，力传感器 中南大学交通运输学院