[工学]第7章 压电式传感器.ppt

（4） 如果沿Z轴方向（即与纸面垂直的方向）上施加作用力， 因为晶体在X轴方向和Y轴方向的变形完全相同，所以，正负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明沿Z轴（即光轴）方向加作用力，晶体不会产生压电效应。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的作用力时（如液体的压力，热应力等）,石英晶体也就保持中性不变，所以石英晶体没有由于体积变形的压电效应。 作业： 1 什么是压电效应 2 画出压电传感器的等效电路 3 石英晶体 X 、 Y 、 Z 轴的名称及特点是什么。 * * * * * * 　　　压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度Ku，后者称为电荷灵敏度Kq，它们之间可以通过压电元件（或传感器）的电容Ca联系起来，即 　7.3.2测量电路 　　　压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。 　　　测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用： 　一是放大传感器输出的微弱信号 　二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗 　　　根据压电元件的工作原理，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比，另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 1.电压放大器 电压放大器的等效电路如图所示，其中等效电阻R为 等效电容 C分别为 如果压电元件受到交变力的作用，f 为 式中 Fm——作用力的幅值。 若压电元件所用压电材料为压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即 或 式中 Um——电压幅值， 若将放大器输入端的电压ui写成复数形式，则可得 的幅值 为 由上式可得输入电压与作用力之间的相位f为 令 为测量回路时间常数，令 ，则式 若作用在压电元件上的力为静态力，即w→0，则前置放大器的输出Uim为零。因为电荷就会通过电荷放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。这也就是从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 当w→∞时（高频），则放大器输入端的电压幅值为 在实际应用中认为 w/w 0 ＞＞1（即wτ＞＞1 ），也就是作用力的变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim与频率无关。一般认为w/w 0≥3，可以近似地看作输入电压与作用力频率无关。这说明在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器的高频率响应是很好的，这是压电传感器的优点之一。 2.电荷放大器 为了便于分析，用图（b）的电压源代（a）的电荷源，由此可得（用节点电压法） 而 ，代入可得 理想条件下，工作频率足够高，各导纳大于各电导时，即gi →0、gc→0、gf→0， 且放大器的增益A足够大时，（1+A）Cf ＞＞（Ca+Ci+Cc） ， 上式表明，输出电压Usc正比于输入电荷q，它的比例系数为1/Cf，与工作频率无关。这就是电荷放大器的理想情况。 压电元件本身的电容大小和电缆长短不影响或极少影响电荷放大器的输出，这是电荷放大器的优点。输出电压只取决于输入电荷 q以及反馈电路的参数Cf及Rf。一般反馈电容Cf可选择的范围为100～104pF。 当工作频率很低时,gf与jwCf值相当，gf（1+A）不能忽略；A仍足够大，则式变为 其幅值为 该式说明，工作频率很低时，输出电压Uscm不仅与表面电荷q有关，而且与参数Cf、gf和w 有关，但与开环增益A无关。信号频率越小，Cf项越重要，当 这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应的下限截止频率为 由上式可见，低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数Rf和Cf，反馈电阻Rf还有直流反馈功能。因为在电荷放大器中采用电容负反馈，对直流工作点相当