第9章压电测量技术 .ppt

设 C= Ca+Ci+Cc 有 Q=Qf+Qc Ua: Qc =Ua · C 电容Cf 的两端电压Uf为： Uf: Qf = Uf ·Cf Q= Ua · C + Uf · Cf Uf= Ua-Usc Ua= Uf+ Usc Usc=-k · Ua ∴ Uf=（1+k）Ua Q= Ua ·[c+（1+k）· Cf ] 使用电荷放大器的几点说明 1）传感器的灵敏度归一化方法； 归一化的目的： 归一化的方法： 2）传感器的输出电缆的接线注意事项； 切记不要将前置放大器的场效应管烧坏。 3）环境因素的影响 温度、湿度都会影响传感器的输出阻抗及放大器的输入阻抗。 1）结构特点 ●膜片的作用：密封、传递压力，对传感器内部器件进行预紧； ●采用多片晶体机械上串联、电气上并联，以提高传感器的电荷灵敏度； ●壳体的刚度较大。 2）温度补偿方法 ●原因：当被测环境的温度变化时，膜片及传感器壳体会产生热应力，导致压电晶体产生额外的电荷输出，因此需进行温度补偿。（如测量火药燃气压力） 3）加速度补偿原理 ●原因：当被测压力的环境具有冲击和振动的影响时，由于压电晶体及相关传感器附件都具有质量，则在加速度的作用下会产生惯性力，该惯性力作用在压电晶体堆上也会因加速度的影响产生附加的电荷输出。 ●补偿方法：采用加速度补偿块及补偿晶片，使加速度产生的额外电荷输出与补偿晶片产生的电荷输出正好抵消。 （4）横向灵敏度 指传感器对垂直于主轴平面内的加速度的最大灵敏度。 3）传递函数 有： （1） 引入： 被测加速度为 则式（1）可写成： ★结论：上限频率取决于传感器的机械特性； 下限频率取决于测量电路的时间常数。 产生的原因 （1） 压电材料性能的不均匀、压电片表面粗糙或两个表面不平行、压电片表面有杂质或接触不良； （2） 晶体片切割或极化方向有偏差； （3） 传感器基座上下两端互相不平行； （4） 基座平面与主轴方向互不垂直，基座平面不平； （5） 质量块或压紧螺母加工精度不紧； （6） 传感器装配质量不好，结构不对称。 ： 9.6 引起压电式传感器测量误差的因素 9.6.1 环境温度的影响 周围环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响最大，它将造成传感器灵敏度发生变化。 1）石英晶体 石英晶体对温度并不敏感，在常温范围甚至温度高至200℃，石英的压电常数和介电常数几乎不变，在200℃～400℃范围内变化也不大。 2）压电陶瓷 人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英要大得多，压电常数和介电常数随温度变化的趋势大体上如图所示。 9.3.2 压电传感器的等效电路 1）测量系统框图 2）等效电路 Ra为传感器的绝缘电阻； Ri为前置放大器的输入电阻； Ca为传感器内部电容 Cc为电缆电容； Ci为前置放大器输入电容。 灵敏度有两种: 电压灵敏度Ku:单位力的电压; Ku=U/F 电荷灵敏度Kq:单位力的电荷; Kq=Q/F 两种灵敏度的关系: 3）压电传感器的灵敏度 9.4 测量电路 1.引言 压电传感器的输出信号非常微弱，要将其进行放大才能测量出来。 压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。 前置放大器作用 ⑴将传感器的输出高阻抗变换成低阻抗输出; ⑵起放大传感器微弱信号的作用。 传感器的输出可以是电压信号(把传感器看作电压发生器)；也可以是电荷信号(把传感器看作电荷发生器) 传感器的输出信号应先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。 前置放大器有两种： 电压放大器: 输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻抗变换器； 电荷放大器: 输出电压与输入电荷成比例。 主要区别： 使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其电缆长度变化更为明显; 使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略不计。 9.4.1 电压放大器 电容器放电特性： 电容器两端的电压将按指数规律变化，放电的快慢决定于测量回路的时间常数 ， 越大，放电越慢；反之，放电就越快。 可见：只有在测量回路开路情况，也就是传感器本身的绝缘电阻Ra无限大的情况，才能使传感器的输出电压（或电荷）保持不变; 如果传感器本身的绝缘电阻不是