6压电传感器详解.ppt

压电陶瓷与石英晶体的特性比较 . （三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有 聚偏二氟乙烯 （ PVF 2 或 PVDF ） 、聚氟乙烯（ PVF ）、改性 聚氯乙烯（ PVC ）等。它是一种柔软的压电 材料，可根据需要制成 薄膜或电缆套管 等形 状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连 续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格 便宜，频率响应范围较宽， 测量动态范围可 达 80dB 。 高分子压电薄膜及拉制 、切片 高分子压电材料的特性 不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积 或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范 围可达 80dB ， 频率响应范围可从 0.1Hz 直至 10 9 Hz 。 工作温度一般低于 100 ℃ 。温度升高时，灵敏 度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能 力较差，不宜暴晒，以免老化。 高分子压电材料制作的 压电垫和压电电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 第二节 压电传感器的测量转换电路 压电传感器的输出阻抗较大， 要求电压放大器具有 较大的输入阻抗 。又由于压电传感器的 输出电压与压 电片的极间电容 C a 以及传输线的对地分布电容 C c 有关 ， 如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素 的影响。 现在多采用“ 电荷放大器 ”来将 压电传感器输出的 电荷转换为电压，属于 Q/U 转换器，但并无放大电荷 的作用，只是一种 习惯叫法 。 压电元件的极间电容 压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将 产生电荷，因此它相当于一个电荷源。当压电元件表 面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的 电容器，两电极板间的电容 C a 为 ? ? ? A C 0 r a ? 式中 A —— 压电元件电极面积； ? —— 压电元件厚度； ? r —— 压电材料的相对介电常数； ? 0 —— 真空介电常数。 压电元件的图形符号及等效电路 a ）结构示意图 b ）压电元件的符号 c ）压电元件的等效电路 1 －镀银上电极 2 －压电晶体 3 －镀银下电极 压电传感器的输出电压与等效电容的关系 如果压电元件直接与放大器配套使用， 除了极间 电容，还应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的 分布电容 C c 的影响 。如果忽略 R a 和放大器的输入电阻 R i 的影响，则有 式中 C i —— 电压放大器的输入电容； Q —— 压电元件输出的电荷量。 屏蔽电缆的对地分布电容大约为 100pF/m 。当 屏蔽 电缆较长时， C c 显著增大， 放大器的输入电压 U i 将 比压电传感器空载时的输出 U o 小很多， 且不稳定 。 i a c i Q Q U C C C C ? ? ? ? 总 压电传感器与二次仪表连接的等效电路 C i 、 R i 为放大器的输入电容和输入电阻 电荷放大器 1 －压电传感器 2 －屏蔽电缆线 3 －传输线分布电容 4 －电荷放大器 S C －灵敏度选择开关 S R －带宽选择开关 C f ′－ C f 在放大器输入端的密勒等效电容 C f ″－ C f 在放大器输出端的密勒等效电容 电荷放大器基本电路 电荷放大器原理分析 反馈电容 C f 跨接在放大器的反相输入端和输 出端之间。 根据密勒等效定理，相当于在输入 端并联了一个容量很大的等效电容 C f ′。 设运算 放大器的开环增益数为 A u ，通常约为 120dB ，相 当 于 10 6 。 C f ′ =(1+ A u ) C f ， C f 的 取 值 范 围 多 为 100pF~ 0.1 μF 。若 C f 取最小值 100pF ，则等效电 容 C f ′约为 100 μF 。输入回路的总电容基本上由 C f ＇决定 C 总 = C a + C c + C i +(1+ A u ) C f 电荷放大器的输出电压 式中 Q ：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值； C f ： 并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容 当 A 足够大时，则 (1+ A ) C f ( C a + C c + C i ) ，上式可化 简为 由此可知 , 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反 馈电容有关 , 电缆引线电容等因素的影响可忽略不计。 ? ? o i a c i f