第5章-压电式传感器和霍尔式传感器.ppt

第5章压电式传感器和霍尔式传感器 5.1 压电式传感器 压电式传感器是以某些晶体、陶瓷受力后在其表面产生电荷的传感器，它是一种能量型传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度、微小位移等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来基于压电式传感器的测试技术发展迅速，加上电子技术的发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。 5.1 压电式传感器 5.1.1 压电效应 某些材料沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电荷的状态，这种现象被称为压电效应。可分为正压电效应和逆压电效应。 5.1 压电式传感器 5.1.1 压电效应 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 逆压电效应：当在某些材料的极化方向上施加电场，这些材料就在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或压力也随之消失。 5.1 压电式传感器 5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的结构 在压电式传感器中，压电元件一般不用单片，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法有并联和串联两种。 5.1 压电式传感器 5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的结构 两片并联时，输出电压相同，但电荷量为单片时的两倍，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。两片串联时，输出电荷量相等，输出电压为单片时的两倍，电容量为1/2，适用于以电压作为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合。 5.1 压电式传感器 5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为 为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。 5.1 压电式传感器 5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的等效电路 可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图5-4（a）所示，也可以等效为一个电压源，如图5-4（b）所示。 图5-4 压电式传感器的等效电路 5.1 压电式传感器 5.1.2 结构和等效电路 压电式传感器的等效电路 实际使用时还要考虑连接电缆的等效电容Cc，后续电路中放大器的输入电阻Ri，输入电容Ci及压电传感器的泄漏电阻Ra，如图5-5所示。 图5-5 压电传感器的实际等效电路 5.1 压电式传感器 5.1.3 测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量又很小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电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：电压放大器和电荷放大器。 5.1 压电式传感器 5.1.3 测量电路 电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如图（a）所示，图（b）是简化后的等效电路。其中： 为放大器输入电压， 为放大器的输入电容， 为放大器的输出电阻， ，Q为压电传感器的输出电荷。 5.1 压电式传感器 5.1.3 测量电路 电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器连接的等效电路如图所示，图中 为放大器的反馈电容，图中的 的阻值很大，主要是在压电传感器不工作时，泄放电容 中的电荷。 5.1 压电式传感器 5.1.3 测量电路 电荷放大器 由运算放大器的负反馈公式，可得输出电压 为 由上式可知，电荷放大器的特点：输出电压与电缆电容 和泄电容 无关，即与电缆长度无关，更换电缆不影响传感器灵敏度，且输出电压与输出电荷成正比。 5.1 压电式传感器 5.1.4 应用实例 压电传感器的结构如图所示。压电元件被夹在两个弹性膜片之间，压力作用于膜片，是压电元件受力而产生电荷。压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧通过金属箔和引线将电量引出。电荷经电荷放大器放大转换为电压或电流，输出的大小与输入压力成正比关系。压电