压电式传感器能测试.ppt

第18章 压电式传感器的性能测试 ;18.2 实训的基本原理 ; 4.机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数； 5.电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性； 6.居里点：压电材料开始丧失压电特性时的温度称为居里点； 18.2.2 常用压电材料 目前常用的压电材料主要有石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅(PZT)等很多种类。石英晶体材料的压电系数很稳定，但其灵敏度较低且介电常数小，因此已渐渐地被其它压电材料代替；钛酸钡材料有较高的压电系数且价格低廉，但只适用于700C以下的低温场合；锆钛酸铅系压电材料是钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体。这种陶瓷的压电性能大约是钛酸钡的两倍，特别是在—55~2000C的温度范围内无晶相转变，已成为压电陶瓷研究的主要对象。它的缺点是烧结过程中氧化铅（PbO）的挥发问题，难以获得致密的烧结体，以及压电性能依赖于钛和锆的组成比，难以保证性能的均匀一致。 18.2.3 测量电路简介 压电式传感器本身具有很高的内阻抗，而输出的能量又非常微弱，因此它的测量电路通常需要有一个高输入阻抗的前置放大级作为阻抗匹配，方可接入到一般的放大、检波和显示等处理电路，或者再经功率放大器至记录仪器。 ; 压电式传感器的前置放大级起到以下二个方面的作用：一是把传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。因此，前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。下面分别介绍电压放大器和电荷放大器的工作原理。 1.电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器的工作原理如图18.1中A和B所示，A图为电路原理，B图为等效电路图。其中，电阻R=RaRi/（Ra+Ri），电容C=Ca+Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电敏感元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其；输出电压ua可表示为 （18—1） 式中：Um为压电传感器输出电压幅值，Um=dFm/ Ca；d是压电系数； 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 （18—2） Ui的幅值Uim为 （18—3） ; 输入电压与作用力的相位差为 （18—4） 在理想状态下，传感器的Ra与前置放大器的Ri均为无穷大，即ωR(Ca+Cc+Ci)远大于1，所以由式（18—3）可得理想状态时的输入电压幅值为 （18—5） 上式说明前置放大器输入电压与频率无关。一般认为ω/ω03时，就可以忽略频率的影响了。ω0为测量电路时间常数之倒数，即ω0=1/R（Ca+Cc+Ci），这表明压电传感器有很好的高频响应，但是当作用力为静态力（ω=0）时，则前置放大器的输入电压为零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电式传感器不能用于 静态力（变形）的测量，只 能用于动态测量中。由于Uim 与Cc（电缆分布电容）有关， 故传感器与前置放大器之间 的连接电缆不能随意更换， 否则会引起测量不准确。; 2.电荷放大器 电荷放大器通常作为压电传感器的输出电路，它由一个反馈电容和高增益运算放大器组成。当忽略和并联电阻的影响后，其等效电路如图18.2所示。图中A为运算放大器增益，由于运算放大器输入阻抗极高，故放大器输入端几乎没有分流，其输出电压U0为： （18—6） 式中：U0为放大器输出电压；Ucf为反馈电容上的压降；由此可见，电荷放大器的输出电压与电缆的分布电容无关、而与压电传感器产生的电荷成正比。 18.2.4 本次实训的原理 本次实训所用的压电式传感器实际上是一个压电式加速度计，其压电敏感元件与一质量块相连，当质量块振动产生的惯性力使压电材料产生变形而输出电信号，实现对振动的测量。