《测试技术与传感器》课件第7章.ppt

由式(7-14)知，当ω→∞时(7-15)当ω→0时(直流状态)，Uim(0)=0显然，电压放大器不能放大压电传感器静态受力时的输出信号，事实上，当传感器所受力的频率很低时，信号的衰减也非常严重。图7-8幅值响应比随频率变化的曲线令k1(ω)=Uim(ω)/Uim(∞)，为幅值响应比。由式(7-14)和式(7-15)可得(7-16)幅值响应比随频率变化的曲线如图7-8所示。当时，对应压电传感器的截止频率ωL，即(7-17)求解式(7-17)，可得幅值衰减到0.707时的截止频率ωL为(7-18)由此可见，任何低于截止频率的压电信号，当采用电压放大器为放大电路时，信号的衰减将非常明显。7.2.2电荷放大器电路电荷放大器电路是压电传感器更为常用的一种前置放大电路，它将高内阻的电荷源转化为低内阻的电压源，使输出电压正比于输入电荷。电荷放大器电路由高输入阻抗的高增益运算放大器和反馈电容组成，其等效电路如图7-9所示。由于运算放大器的输入阻抗Ri、传感器的绝缘电阻Ra都非常高，故可略去它们的影响，简化电路如图7-10所示，其中C的定义同式(7-13)。图7-9电荷放大器电路的等效电路图7-10的反馈电容CF，可以折算成输入端电容(1＋A)CF，其等效关系不变，如图7-11所示。此时，(7-19)通常，放大倍数A在106以上，因此，C＜＜(1+A)CF，式(7-19)进一步可简化为(7-20)图7-10电荷放大器电路的简化电路图7-11电荷放大器电路简化电路的等效电路从式(7-20)得知，输出电压Uo仅取决于压电传感器产生的电荷和反馈电容的大小，与传输线的电缆电容Cc等影响测量精度的多种因素无关，且压电信号频率ω对输出电压Uo的幅值没有影响(由于作了简化假设，从表达式上看是无关的)，所以，电荷放大器与电压放大器相比，更适宜放大低频的压电信号。由于压电信号一般采用同轴低噪声电缆传输，因此如果采用电压放大器放大，其输出电压与电缆电容有关，所以当使用不同的电缆时，压电测试系统需要重新标定，而电荷放大器的输出与电缆电容无关，这为使用带来了很大的方便。在电荷放大器中，反馈电容CF的精度和稳定性对测量精度有较大的影响，所以一般选择高精度的电容。根据不同量程的需要，范围一般为100～104pF。7.3压电传感器的应用压电材料受力产生电荷后，需要由镀附在表面的电极完成输出。压电元件是一个电荷源，同时也是一个以压电材料为介质的电容。电荷只有在电容无泄漏的情况下才能保存，压电材料和后续放大器的输入阻抗尽管很高，但还是不能保证电荷的不泄漏，只是泄漏的速度有快有慢，因此压电传感器不适宜做静态测量。压电传感器一般用来检测交变的力信号，如机床切削力的动态测量、振动的测量(压电加速度传感器)等。单片压电材料产生的电荷很小，为了提高响应的灵敏度，在实际使用中常采用两片或多片同类压电材料叠放的结构。由于压电材料产生的电荷是有极性的，因此有串联、并联两种接法。如图7-12所示，图(a)是两片压电材料的负端粘结在一起，中间插入金属电极，成为压电传感器负端输出，外侧的两个正端短接形成压电传感器的正端输出，这种接法类似两个电容的并联，称为并联接法。图(b)是两片压电材料的不同极性的端面粘结在一起，另外两侧形成压电传感器的正、负端输出，这种接法类似于两个电容的串联，称为串联接法。图7-12多片压电材料的组合接法压电材料并联时的电容比单片压电材料增加一倍，串联时的电容为单片压电材料电容的二分之一。如果两者都受同样的压力作用，并联时的电荷q、电容C、电压U与串联时的电荷q′、电容C′、电压U′之间的相应关系为q=2q′7-21)C=4C′(7-22)