压电式传感器G课件

1、压电式传感器G课件1 5.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料 5.2压电传感器测量电路压电传感器测量电路 5.3压电式传感器的应用压电式传感器的应用 练习与思考题练习与思考题 第第5章章 压电式传感器压电式传感器 返回主目录 压电式传感器G课件2 第第5章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效 应, 是典型的有源传感器有源传感器。 当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实 现非电量测量。压电式传感器具有体积小, 重量轻, 工作频带 宽等特点, 因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量, 以及 声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛

2、的应用。 日常生活中常见的话筒（咪头），玩具中的蜂鸣器，水声 换能器中的一大类，都应用了压电材料的压电效应或逆压电 效应。 压电式传感器G课件3 5.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 1、压电效应、压电效应 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内 部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的 电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象 称压电效应。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 相反, 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电

3、效应”（电致伸缩效应）。具有压电效 应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机电能量的相互转 换, 如下图所示。 压电式传感器G课件4 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微 弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸 铅等材料是性能优良的压电材料。 压电式传感器G课件5 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。 压电材料的主要特性参数有: （1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参 数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。 （2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电 器件的固有频率和动态特性。 （3） 介电常数：对于一定形状、 尺寸的压电元

4、件, 其固 有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频 率下限。 （4） 机械耦合系数：在压电效应中, 其值等于转换输出能 量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是 衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 压电式传感器G课件6 （5） 电阻压电材料的绝缘电阻：绝缘电阻大，将减少 电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为 居里点。 压电式传感器G课件7 一、一、 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体之一。 它理想的几何形状为 正六面体晶柱，如图5.1（a）所示。 （a）石英晶体的

5、外形 （b）坐标轴 （c）切片 图5.1 石英晶体 在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称 为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时 垂直的y轴称为机械轴，如图5.1（b） 所示。通常把沿电轴x方向的力作用 下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴y轴方向的力作 用下产生电荷的压电效应，称为“横向压电效应”。而沿z轴方向受力时不 会产生压电效应。 压电式传感器G课件8 若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 5 - 1（c）所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 fx (5

6、- 1) 式中: d11x方向受力的压电系数;石英晶体的 d11=2 .3110-12 C/N； q x垂直于x轴平面上的电荷； fx 沿晶轴x方向施加的作用力。 压电式传感器G课件9 压电系数有两个下标，即 和j ，其中 （=1,2,3）表示在 面上产生的电荷，例如i =1,2,3分别表示在垂直于x ,y, z 轴 的 晶 片 表 面 即 X , Y , Z 面 上 产 生 的 电 荷 。 下 标 j =1,2,3,4,5,6,其中j =1 ,2,3分别表示晶体沿x，y，z 轴方向 承受的正应力；j =4,5,6 则分别表示晶体在X,Y,Z 面上承 受的剪切应力。压电元件坐标系的表示法见下图

7、。例如 d11表示沿x方向受力，在X 面上产生电荷时的压电系数。 压电元件坐标系的表示法 i i ii i o z 1x y 4 o 5 6 3 2 y z x 压电式传感器G课件10 从式（5.1）中可以看出切片上产生的电荷多少与切片 的尺寸无关，即q x与Fx 成正比。电荷q x的符号由晶体受压 还是受拉而决定，如图 5.5(a)、(b)。 图5.5 晶片上电荷极性与受力方向关系 压电式传感器G课件11 若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与 x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为 qy=d12 fy （5 - 2） 式中: d12y轴方向受力的压电系数, d12=-

8、d11; 根据石英晶体轴的对称条件： d12 =d11 则式（5.2）为 （5.3） 从式（5.3）可见沿机械轴方向的力作用在晶体上时产 生的电荷与晶体切片的尺寸有关，式中的负号说明沿y轴的 压力所引起的电荷极性与沿x轴的压力所引起的电荷极性是 相反的。 F h l dq x11 压电式传感器G课件12 当石英晶体沿z轴方向被压缩或被拉伸时，晶体沿x方 向和y方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时， 石英晶体不会产生压电效应，即d13=0。 当石英晶体分别受到沿X面、Y面、Z面上作用的剪切力时， 压电常数d14 、d25 、d26不为零。说明沿X面作用剪切力时 （j=4），在X面表面上

9、产生电荷（i=1）。沿Y面作用剪切 力时（j=5），在Y面表面上产生电荷（i=2）。沿Z面作用 剪切力时（j=6），在Y面表面上产生电荷（i=2）。 压电式传感器G课件13 根据压电效应的性质和石英晶体的对称性，石英晶体的压 电方程可用矩阵表示为 6 5 4 3 2 1 363534333231 262524232221 161514131211 3 2 1 F F F F F F dddddd dddddd dddddd q q q 6 5 4 3 2 1 1615 141211 000000 0000 000 F F F F F F dd ddd 6 5 4 3 2 1 1114 1411

10、11 000000 20000 000 F F F F F F dd ddd = （5.4） 压电式传感器G课件14 从式（5.4）可以看出，石英晶体独立的压电系数只有两个。 =2.3110 -12（C/N） .7310 -12（C/N） 11 d 14 d 压电式传感器G课件15 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。石英晶体的分子式SiO2，每 一个晶格单元中含有三个硅离子和六个氧离子，硅离子和氧离子成正六边形 排列，它们的排列在垂直于z轴的XY平面上的投影如图5.5 (a) 所示，图中“+” 代表硅离子，“-”代表氧离子。当石英晶体没有受到力的作用时，正负离子 分布在正六边形的顶点上，

11、从而形成三个大小相等，互成120夹角的电偶 极矩。电偶极矩的大小为： p = q l （5.5） 式中：q电荷量 l正负电荷间的距离 电偶极矩的方向为由负电荷指向正电荷。在这种情况下，电偶极矩的矢量和 等于零，即 P1+P2+P3 = 0 ，晶体表面不产生电荷，石英晶体呈电中性。 压电式传感器G课件16 y o P2 P1 P3 x A B P2 o Fx P1 P3 C B P P P2 o 3 1 x xFxA Fy x D Fy y y （a） （b） （c） 图5.5 石英晶体的压电效应示意图 压电式传感器G课件17 因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷

12、重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将 产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。如图 5 - 5 （b）所示, 此时正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上 的分量由于P 1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即 （P1+P2+P3）x 0 。 在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y 方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 压电式传感器G课件18 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图5 - 5（c）所示, 与图5 - 5（b）情况相似, P1增大, P

13、2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。 当作用力fx、fy的方向相反时, 电荷的极性也随之改变。 压电式传感器G课件19 二、二、 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料， 而后者是单晶体。 压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处 理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英

14、晶体的几百倍。 压电陶瓷有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构，如图所示。 压电式传感器G课件20 电畴实质上是自发形成的小区域，每个小区域有一定的极化 方向，从而存在着一定的电场，但由于电畴分布杂乱无章，如 图5.6(a)所示。因此在没有外加电场的情况下，它们的极化作用 被相互低消了。 上述情况下，压电陶瓷不会产生压电效应。 压电式传感器G课件21 为了使压电陶瓷具有压电效应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理。所谓极化处理，就是给压电陶瓷加外电场，使电 畴规则排列，从而具备压电性能。外加电场的方向即是压电陶 瓷的极化方向，通常取沿z轴方向。图5.6(b)即为施加外电场以 后的情形。当外加电场

15、去掉后，电畴极化方向基本保持按原极 化方向取向，如图5.6(c)所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢 复为零，而是存在着很强的剩余极化强度。此时，在与极化方 向垂直的两端面将会出现束缚电荷，一端面为正，另一端面为 负，如图5.7所示。 由于束缚电荷的作用，在束缚电荷 附近很快吸附一层来自周围外界的自 由电荷，且束缚电荷与自由电荷多少 相等，极性相反，因此压电陶瓷对外 不呈现极性。 束缚电荷 自由电荷 电极 图5.7束缚电荷和自由 压电式传感器G课件22 当压电陶瓷沿极化方向被压缩力作用时，会产生图5.7 束缚 电荷和自由电荷排列图 压缩变形。使得束缚电荷之间距离变 小，电畴发生偏移，剩余极化强度

16、变小，因此，吸附在其表面 的自由电荷有一部分被释放而呈现放电现象。这就是压电陶瓷 产生压电效应的原因。 当撤消压缩力后，陶瓷片恢复原状。用矩阵表示的压电陶 瓷的压电方程为 6 5 4 3 2 1 333131 15 15 6 5 4 3 2 1 333231 24 15 3 2 1 000 00000 00000 000 00000 00000 F F F F F F ddd d d F F F F F F ddd d d q q q （5.6） 压电陶瓷独立的压电系数只有三个，即 =19010 12（C/N） = 0.41= 7810 12（C/N） =25010 12（C/N） 33 d

17、3231 dd 15 d 压电式传感器G课件23 极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化, 当陶 瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平面 上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应 转变为电效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的 正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F (5- 7) 式中: d33 压电陶瓷的压电系数; F作用力。 压电式传感器G课件24 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电 陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电 陶

18、瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时 间变化, 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由 碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电 系数约为石英的50倍, 但使用温度较低, 最高只有70, 温度稳 定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi） O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。 压电式传感器G课件25 铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由 铌镁酸铅(Pb（Mg Nb ）O3)、 锆酸铅(

19、PbZrO3)和钛酸铅 (PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷, 具有极高的 压电系数和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。 3 1 3 2 压电式传感器G课件26 2、 压电材料压电材料 压电材料的种类很多。从取材方面看，有天然的和人工合成的，有有机的 和无机的。从晶体结构方面讲，有单晶的和多晶的。 压电式传感器中压电元件的材料选用，应考虑以下几方面的特性。 （1）转换性能 这个特性表明了压电材料“压电”转换的效率。压电材料 应具有较大的压电常数或机电耦合系数。 （2）机械性能 压力元件作为受力元件，希望它的机械强度大，机械刚度 大，以便获得较宽的线性范围和较高的固有频率。

20、（3）电性能 希望压电材料具有高的电阻率和大的介电常数，这样才能减 弱分布电容的影响，使压电传感器的频率下限向下延伸。 （4）温度性能 要求压电材料具有较高的居里点，以便获得较宽的工作温 度范围，这是因为居里点是压电材料开始失去压电性的温度。 （5）长期稳定性 要求压电材料的压电特性不随时间蜕变。 基于上述诸因素，在压电式传感器中，普遍应用的压电晶体主要有石英 （SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）等，压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、铌镁酸 铅（PMN）和锆钛酸铅（PZT）系列。几种常用压电材料的主要性能列于 表5.1。 压电式传感器G课件27 除了上述压电材料外，近年来，一些新型压电材料不断

21、出现，如压电半导体， 有机高分子压电薄膜等，已表现出良好的应用前景。 压电式传感器G课件28 5.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 一、一、 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 压电传感器的压电元件，当受到外力作用时，就会在受 力纵向或横向表面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷， 而在另一个极板上聚集等量的负电荷。因此压电传感器可以 看作是一个电荷发生器，也是一个电容器。若已知极板（压 电片）面积为A，压电片厚度h，压电材料的相对介电常数， 则其电容值为 Ca= (5 - 8) 式中: A压电片的面积; d压电片的厚度; r压电材料的相对介电常数。 d A r0 压电式传

22、感器G课件29 因此, 压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。 如图5 - 8（b）所示, 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三 者关系为 Ua = (5 -9) 压电传感器也可以等效为一个电荷源。 如图5 - 8（a）所示。 图5-8 压电元件的等效电路 a C q a a a Ca a a C a a a a C U q C U q a a Ca a U q 压电式传感器G课件30 由等效电路可知，只有在外电路负载为无穷大。且内 部无漏电时，电压源才能保持长期不变，如果负载不是 无穷大，则电路就会按指数规律放电。这对于静态标定 以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上

23、， 压电传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能 无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电 荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电传感器不适宜 静态测量。 压电式传感器G课件31 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连 接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入电Ri, 输 入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra, 这样压电传感器在测量 系统中的实际等效电路, 如图5 - 9所示。 图5-9 压电传感器的实际等效电路 压电式传感器G课件32 由等效电路可知。压电传感器的泄漏电阻与前置放大器的输 入电阻相并联，为保证传感器和测试系统有一定的低频（或准 静态）响

24、应，就要求压电传感器的泄漏电阻在1012以上，才能 使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应， 测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高 的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即 产生测量误差。 既然压电传感器可以等效为电压源或电荷源，那么，压电传感 器的灵敏度也有两种表示方式。一种用单位外力作用下产生的 电压表示，称为电压灵敏度，用Su表示，Su=u/F；另一种则可 用单位外力作用下产生的电荷表示，称为电荷灵敏度，用Sq表 示，Sq=q/F。它们之间的关系可用下式表示： Su = (5-10) a q C S 压电式传感器G课件33 二、二、 压电式

25、传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此它 的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其 作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大 传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前置放大器也有两种形式: 电压放大 器和电荷放大器。 1. 电压放大器（阻抗变换器） 图5 10（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等 效电路。 压电式传感器G课件34 在图5 10（b）中, 电阻R = RaRi/(Ra+Ri), 电容C = Ca+Cc+Ci, 而ua = q/Ca, 若压电元件受正弦

26、力f = Fmsint的作用, 则其电压为 wtUwt C dF u m a m a sinsin （a）电压放大器电路 （b）等效电路 图5-10 电压放大器的电路原理图及其等效电路 压电式传感器G课件35 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 )(1 ai i CCjwR jwR dfU 的幅值为 i U im U )(1 22 ica m im CCCR RdF U 5-11 2 5-10 压电式传感器G课件36 输入电压和作用力之间相位差为 )(arctan 2 RCCC ica 在理想情况下, 传感器的

27、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, 理想情况下输入 电压幅值Uim为 ica m im ccc dF U 式（5- 12）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认 为/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0=1/R（Ca + Cc + Ci）。 5-12 压电式传感器G课件37 这表明压电传感器有很好的高频响应, 但是, 当作用于压电 元件力为静态力（=0）时, 则前置放大器的输入电压等于零, 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测量。 当R（Ca+

28、Cc+Ci） 1 时, 放大器输入电压Uim如式（5 - 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。 压电式传感器G课件38 例6-1 已知某压电式传感器测量最低信号频率f =1Hz,现要求在 1Hz信号频率时其输出电压下降不超过5%，若采用前置电压放 大器输入回路总电容Ci = 500F。求该前置放大器输入总电阻Ri 是多少？( 设 =， =0 ) 解：电压前置放大器实际输入电压的幅值与理想输入电压幅值Um之比的相 对幅频特性为 K = (5-13) 式中为

29、作用在电压元件上的信号角频率，=2f ；=R iC i为前置放大器回 路的时间常数。由题意可知当 K =（15%） 解方程可得= 3.04 将 =2f 及=R iC i代入上式计算，可计算 2fR i510-10 = 3.04 得 R i = 969 M Ra c C 2 m m )(1 U Ui 压电式传感器G课件39 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为 Qi=Q-Qf 式中，A为开环放大系数。所以有 故放大器的输出电压为 当A1，而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示为 QCaCcCiRaRi Cf Rf N fffif

30、C A U ACU A U CUUQ 0 0 0 0 )1 ()()( ffaci C A U AQC A U AQCCC A U 000 )1 ()1 ()( faci CACCC AQ U )1 ( 0 f C Q U 0 (6-3-6) 3. 电荷放大器电荷放大器 为改善压电传感器的低频特性，常采用电荷放大器。电荷放大器由一 个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成, 电荷放大器的等效电路下图所示 压电式传感器G课件40 由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压 仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其 他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度

31、为 放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算 放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵 敏度越高。 为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容Cf两端并联了一 反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。 由上式可见，电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷和 反馈电容，且与 成正比，与电缆电容 无关，因此可以采用长 电缆进行远距离测量，并且电缆电容变化也不影响灵敏度，这 是电荷放大器的最大特点。 q c C f CQ U K 1 0 压电式传感器G课件41 通常，当（1+A） 大于 十倍以上时，即可认为 传感器的输出灵敏度与电缆电容无关，但由于电

32、缆的分布电容 随传输距离的增加而增加，因此在远距离传输时，需要考虑对 测量精度的影响，由此而产生的误差可由下式求得 f C ica CCC f ficaf CA Aq CACCC Aq CA Aq )1 ( )1 ()1 ( = fica ica CACCC CCC )1 ( = 压电式传感器G课件42 由上可知，增加A和增加 均可提高测量精度，或者可在精 度保持不变的情况下，增加连接电缆的允许长度。但是A也不 能无限增大，随着A的过大容易产生振荡，使系统稳定性变差。 反馈电容 的值也受放大器输出灵敏度的限制。在电荷放大器 的实际电路中，考虑到被测物理量的不同量程，通常将反馈电 容 的容量做成

33、可选择的，选择范围一般在10010000PF之间， 选用不同容量的反馈电容，可以改变前置级的输出大小。其次 考虑到电容负反馈线路在直流工作时，相当于开路状态，因此 对电缆噪声比较敏感，放大器的零漂也比较大。为了减小零漂， 提高放大器的工作稳定性，实际的电荷放大器电路，通常还在 反馈电容两端并联一个大电阻 （约 ），其作用是提供 直流反馈。 f C f C f C 1410 1010 f R 压电式传感器G课件43 电荷放大器的时间常数 相当大（ s以上），下限截止频率 （ =1/ ）低达3 Hz。上限频率高达100Hz，输入阻抗 大于 ，输出阻抗小于100，压电式传感器配用电荷放大器时， 低频

34、响应比配用电压放大器要好得多。但与电压放大器相比， 它的价格较高，电路也较复杂，调整也较困难，这是电荷放大 器的不足之处。 ffC R5 10 L f 6 10 12 10 ffC R 压电式传感器G课件44 例6-2如题图5-12所示电荷前置放大器电路。已知Ca=100pF，R a = ，CF =10 pF。 若考虑引线Cc的影响，当A0=104时，要求输出信 号衰减小于1%。求使用90pF/m的电缆其最大允许长度为多少？ 解：由电荷前置放大器输出电压表达 = 可知，当A0=时上式可简化为 则实际输出与理想输出信号的误差为 = 由题意已知要求1%并代入Ca、Cc、A0得 图5-12 = 1%

35、 解出 Cc = 911.2 pF 所以电缆线最大允许长度为 L = 911.2/90 =10.12m O U fca CACC qA )1 ( 0 0 / o U f C q fca ca O OO CACC CC U UU )1 ( 0 / / 10)101 (100 100 4 c c C C 压电式传感器G课件45 5.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 一、一、 压电式测力传感器压电式测力传感器 压电式单向测力传感器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝 缘套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.10.5mm, 当 外力作用时, 它将产生弹性变形,

36、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。 石英晶片的尺寸为81 mm。该传感器的测力范 围为050 N, 最小分辨率为0.01, 固有频率为5060 kHz, 整 个传感器重10g。 压电式传感器G课件46 压电式传感器G课件47 二、二、 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 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, 并用螺栓加以固定。 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,

37、即 F=ma 式中: F质量块产生的惯性力; m质量块的质量; a加速度。 压电式传感器G课件48 压电式传感器G课件49 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 q=d11F=d11ma （5 - 18） 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。 三、三、 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 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, 当进行切削加工时, 切削 力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电