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2、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器,其基本电路如图。若放大器的开环增益A0足够大,并且放大器的输入阻抗很高,则放大器输入端几乎没有分流,运算电流仅流入反馈回路CF与RF。由图可知i的表达式为: -A0 Ca U∑ USC 电荷放大器原理电路图 i Ra q CF RF 根据上式画出等效电路图 -A0 Ca Ra R’ C’ USC U∑ q CF、RF等效到A0的输入端时,电容CF将增大(1+A0)倍。电导1/RF也增大了(1+A0)倍。所以图中C?=(1+A0)CF;1/R?=(1+A0)1/RF,这就是所谓“密勒效应”的结果。 运放输入电压 输出电压 当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1/RFωCF,则 若考虑电缆电容Cc,则有 可见当A0足够大时,输出电压与A0无关,只取决于输入电荷q和反馈电容CF,改变CF的大小便可得到所需的电压输出。 CF一般取值100-104pF。 * * 是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件,所以它能测量最终能变换为力的那些物理量,例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来,由于电子技术的飞速发展,随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器的使用更为方便。因此,在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 第四节? 压电式传感器? 一、压电效应 正压电效应(顺压电效应):某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变。 逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 (一)石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体,在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z-Z称为光轴;经过正六面体棱线,并垂直于光轴的X-X轴称为电轴;与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y-Y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”,沿光轴Z-Z方向受力则不产生压电效应。 石英晶体具有压电效应,是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影,如图(a)。为讨论方便,将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列,图中“+”代表Si4+,“-”代表2O2-。 (b) (a) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 (b)等效为正六边形排列的投影 + 当作用力FX=0时,正、负离子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六边形顶角上,形成三个互成120o夹角的偶极矩P1、P2、P3,如图(a)所示。此时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即 P1+P2+P3=0 当晶体受到沿X方向的压力(FX0)作用时,晶体沿X方向将产生收缩,正、负离子相对位置随之发生变化,如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合,电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0 在Y、Z方向上的分量为 (P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0 由上式看出,在X轴的正向出现正电荷,在Y、Z轴方向则不出现电荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + - - - - FX (b) FX0 + + + - - - P1 P2 P3 可见,当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时,它在X方向产生正压电效应,而Y、Z方向则不产生压电效应。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY>0时,晶体的形变与图(b)相似;当FY<0时,则与图(c)相似。由此可见,晶体在Y(即机械轴)方向的力FY作用下,使它在X方向产生正压电效应,在Y、Z方向则不产生压电效应。 (P1+P2+P3)X0 (P
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