[工学]压电式传感器

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1、8.2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。qCa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。UaCa图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下图所示的电压等效电

2、路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。图压电传感器的完整等效电路（a）电压源;（b）电荷源8.3压电式传感器的测量电路压电式传感器本身的内阻很高(Ra≥1010Ω)，而输出的能量信号又非常微弱，因此通常先把传感器信号输入到高输入阻抗的前置放大器中，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。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。

3、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）在上图（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=Fmsinωt的作用，则其电压为式中：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Ui的幅值Uim为.输入电压和作用力之间相位差为在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，那么理想情况下输入电压幅

4、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ω/ω0>3时，就可以认为Uim与ω无关，ω0表示测量电路时间常数之倒数，即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（ω=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。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。当ω(Ca+Cc+Ci)R>>1时，由放

5、大器输入电压表达式，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。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=104~108，因此,当满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为：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

6、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100~104pF。8.4压电式传感器的应用压电元件是一种典型的力敏元件，可以用来测量最终能转换成力的多种物理量。一、压电式加速度传感器1．结构和工作原理图压缩式压电加速度传感器(a)结构原理图；(b)筒化模型(a)(b)2．灵敏度压电式加速传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Kq(C·s2·m1)表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度Ku(V·s2·m1)表示。其一

7、般表达式为：式中，Q—压电式传感器输出电荷量(C)；Ua—传感器的开路电压(V)；a—被测加速度(m／s2)。因为Ua=Q/Ca，所以有压电加速度传感器的灵敏度：原理：加速度a？压电元件电荷Q=dF压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度：3．频率特性压电式加速度传感器可以简化成由集中质量m、集中弹簧k和阻尼器c组成的二阶单自由度系统。因此，当传感器感受振动体的加速度时，可以列出其运动方程式中，y1—振动体的绝对位移；y0—质量块的绝对位移。上式可改写为根据二阶传感器频响特性分析方法，可得压电式加速度