压电式检测元件..ppt

5.3压电式传感器的测量电路,5.3.1压电晶片的连接方式,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。,并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。,串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。,5.3.2压电传感器的等效电路,当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。,其电容量为：,当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为,因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(b)。,图5-14压电传感器的等效电路（a）电压源;（b）电荷源,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。,图5-15压电传感器的完整等效电路（a）电压源;（b）电荷源,值得注意的是：,利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。,5.3.3压电式传感器的测量电路,由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）,前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。,图5-16压电传感器接放大器的等效电路（a）放大器电路;（b）等效电路,1.电压放大器（阻抗变换器）,在图5-16（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用，则其电压为,（5-20）,式中：Um压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；d压电系数。,由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为,(5-21),输入电压和作用力之间相位差为,(5-22),(5-23),在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（5-22）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为,上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即,(5-24),这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（=0）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。,当(Ca+Cc+Ci)R1时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。,图5-17电荷放大器等效电路,2.电荷放大器,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。,式中：Uo放大器输出电压；Ucf反馈电容两端电压。,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压,通常A=104108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为：,（5-30）,（5-29）,由上式知，电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容CF，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。在实际电路中，CF的容量做成可选择的，范围一般为100104pF。,压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。,6.3压电式传感器的应用,如图是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,图6-11压力式单向测力传感器结构图,5.4压电式传感器的应用,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力电转换。,下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,图6-12压电式加速度传感器结构图,例5-1压电式加速度传感器,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即,F=ma,q=d11F=d11ma,式中：F质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。,F=ma,（6-14）,q=d11F=d11ma,与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为,例5-2压电式压力传感器,图5-19压电式测压传感器,当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。,例5-3压电式声传感器,压电陶瓷换能器结构图,当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。,当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。,如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。,例5-4压电式流量计,图5-21压电式流量计,压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。,例5-5压电式传感器在测漏中的应用,如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。,两者时间差为,t=tA-tB=（LA-LB）/v,又L=LA+LB，所以,例5-6压电声传感器在超声速测量实验中的应用,图5-24超声速测量实验装置,当信号发生器产生的