第5章 压电式传感器2.ppt

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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，q=dF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。,在力作用下产生的电压：,送入放大器输入端的电压为：,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

6、,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（5-24）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.

7、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。

8、在实际电路中，CF的容量做成可选择的，范围一般为100104pF。,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。,集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，

9、抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。,脉搏计照片,典型应用： 脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等,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5-12 压电式加速度 传感器结构图,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=d1

10、1ma,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,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。,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

11、和缩短 ，从而产生声频信号。这时的声传感器就是声频信号发送器。,反过来，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。超声波是机械波的一种，其频率大于20KHz，由于超声波的波长短，绕射现象小，能定向传播，并在传播的过程中衰减很小，所以超声波在工业和医学领域内得到广泛应用。,压电式流量计,图5-21 压电式流量计,压电超声换

12、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。,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,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正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。

13、所以，换能器S1是声频信号发生器。,当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。,压电式玻璃破碎报警器 检测原理:它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报警电路相连。 带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。,比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时, 输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。,压电式金属加工切削力测量 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方