压电式传感器教程.ppt

压电式传感器在测漏中的应用 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。 两者时间差为 Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v 又L=LA +LB ，所以 压电声传感器在超声速测量实验中的应用 超声速测量实验装置 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。 汽车安全气囊加速度计 1．简述正、逆压电效应。 2．压电材料的主要特性参数有哪些？ 3．简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。 4．能否用压电传感器测量静态压力？为什么？ 5．如下图所示电荷放大器中Ca=100 PF，Ra=∞，Rf= ∞， Ri= ∞，CF=10 PF。若考虑引线电容Cc 影响，当A0= 时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90 PF/m的电缆，其最大允许长度为多少？ * * * * * * * * * * * * * 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。） 前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。 图5-7 压电传感器接放大器的等效电路  （a） 放大器电路; （b） 等效电路 1. 电压放大器（阻抗变换器） 在上图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为 （5-6） 式中： Um——压电元件输出电压幅值， Um=dFm/Ca；  d——压电系数。 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 (5-7) Ui的幅值Uim为 . 输入电压和作用力之间相位差为 (5-8) (5-9) 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（5-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在ω/ω03时，就可以认为Uim与ω无关，ω0表示测量电路时间常数之倒数，即 (5-10) 这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 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， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。 当ω(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（5-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换， 否则将引入测量误差。 下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗(1000MΩ)和很低的输出阻抗(100?)，因此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压电传感器与一般放大器匹配。 电压放大器 BG1为MOS场效应管，做阻抗变换，R3≥100M?； BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。R4既是BG1的源极接地电阻，也是BG2的负载电阻，R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG1的输入端，保证较高的交流输入阻抗。由BG1构成的输入极，其输入阻抗为: 引进BG2，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为: 式中Au是BG1源极输出器的电压增益，其值接近1。 所以 可以提高到几百到几千兆欧。由BG1所构成的源极输出器，其输出阻抗为 式中 为场效应管的跨导。 电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大