第4单元 压电式传感器.ppt

请你思考 除了本课程将要介绍的石英晶体和压电陶瓷，你还知道哪些半导体或有机压电材料，以及它们的用途。 从《测控电路》课程已知，在应用电荷放大器作为压电传感器的放大电路时，降低反馈电容CB可以提高增益，但同时也需要增大反馈电阻RB来保持低频下限。试考虑如何从PCB板制作工艺和滤波器的角度保证电阻RB不受PCB线迹电阻的影响。 考虑CB、RB对放大器噪声的影响以及解决办法。 4.1 压电效应及压电材料 称为“纵向压电效应”, 而把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。 若从晶体上沿 y 方向切下一块如图所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为  qx = d11 fx 式中: d11——x方向受力的压电系数;  fx——作用力。 因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 4.2 压电式传感器测量电路 4.3 压电式传感器的应用 习题 正逆压电效应的含义。 画图并说明压电元件的等效电路。 说明压电晶体和压电陶瓷产生压电效应的原因。 画图并说明压电传感器电压放大电路和电荷放大电路的原理及特点。 为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 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 的幅值为 输入电压和作用力之间相位差为 ω很大时, 则放大器的输入电压幅值Uim为 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为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, 当作用于压电元件力为静态力（ω=0）时, 则前置放大器的输入电压等于零, 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测量。  放大器输入电压Uim表达式中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。  2. 电荷放大器 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路, 由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成, 当略去Ra和Ri并联电阻后, 电荷放大器可用图示等效电路表示。 由此可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。 一种普遍的制作工艺是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。 4.3.1 压电式测力传感器 下图为压电式单向测力传感器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。  传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.1?0.5mm, 当外力作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型, 利用其纵向压电效应, 通过d11实现力—电转换。 石英晶片的尺寸为φ8×1 mm。该传感器的测力范围为0 ? 50 N, 最小分辨力为0.01, 固有频率为50 ? 60 kHz, 整个传感器重10g。 + 并联 + 串联 2U=Q/（1/2）C 2Q=U?2C 为提高传感器的灵敏度，适应不同的测量电路，可将压电材料串、并联使用。 4.3.2 压电式加速度传感器 图为一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。  当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质量块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力与加速度a成正比。则传感器输出电荷为  q=d11F=d11ma  因此, 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。 4.3.3 压电式金属加工切削力测量 图为