工程测试第三章传感器.ppt

qxx——垂直于晶轴X-X的平面上产生的电荷量。可得当石英晶体切片受X向压力作用时，所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。概括：设有一用晶体制成的压电传感器受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系式中d—压电常数。压电效应结论：有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必定存在逆压电效应。逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等。2、压电材料及压电传感器结构形式压电晶体分类：单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等（1）石英晶体石英晶体有天然的石英和人工石英单晶体两种。石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好，机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能好。（2）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。1）极化前它具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构。原始的压电陶瓷是一个非压电体，它不具有压电性质。极化处理：所谓极化处理，就是在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性转动到接近电场的方向如图（b）所示。压电陶瓷稳定性较石英晶体差。当这种经极化后的铁电体在受到外力作用时，其剩余极化强度将随之变化，所以也表现出压电特性。1233、压电式传感器及其等效电路压电传感器是用压电材料制成的力—电转换元件。 当压电传感器受到外力作用时，就会在垂直于电轴或垂直于极化方向的表面上产生电荷，在一个表面上聚集正电荷，在另一个表面上聚集等量的负电荷。因此，可以把压电式传感器看作一个静电电容器。其电容量为元件等效电路电荷源等效成为一个电荷源和一个电容的电荷等效电路：电容器上的电压Ua（开路电压）、电荷Q与电容Ca之间存在着以下关系：两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种连接方法称为并联。输出电容C‘为单片电容的倍；输出电压U等于单片电压Ua；极板上电荷量Q’为单片电荷量Q的n倍，即Q＇=nQU=UaC＇=nCa1）并联法提高灵敏度的方法在压电式传感器中，压电传感器常用两片或两片以上组合在一起。由于存在极性，因此有两种连接方法。2)串联法正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。Q＇=QU=nUaC＇=并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负载后时间常数大），宜用于以电荷作为输出量的场合，相对来说允许被测对象变化频率稍低。010102串联接法输出电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场合，要求后续电路有较大的输入阻抗。023）比较：4）压电传感器等效电路Ra为传感器的漏电阻；Cc为连接电缆的分布电容；Ri为相连放大器的输入电阻；Ci为相连放大器的输入电容。STEP03STEP01STEP02压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：电荷灵敏度、电压灵敏度。电压灵敏度：单位机械量（力）作用时的传感器输出电压值；电荷灵敏度：单位机械量（力）作用时的传感器输出电荷量。5）压电传感器的灵敏度电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。前置放大器01由于压电传感器的输出信号非常微弱，需将其输出电信号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，需进行阻抗匹配；连接电缆的长度、噪声对系统输出有明显影响。传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。024测量电路电荷放大器电荷放大器是压电式传感器专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电源正比于输入电荷。一般电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010～1012?，而输出阻抗小于100?。原理：电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器。A是放大器的开环增益电荷放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即Uy—放大器输出电压；Ucf—反馈电容两端的电压。电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系。推导过程：压电传感器产生电荷Q不仅对反馈电容充电，同时也对其它所有电容充电。因