第6章-压电传感器

1、 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级1Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片在正常情况下呈轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向的作用力产生的压电方向的作用力产生的压电效应称为效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，把沿机械轴，把沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的方向的作用力产生的

2、压电效应称为作用力产生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光，沿光轴轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要是利用。压电式传感器主要是利用纵纵向压电效应向压电效应。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级2Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5安 徽 科 技 学 院 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级3Anhui Science and

3、 Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5在在y、z方向上的分量为方向上的分量为: (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 0当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的压力（方向的压力（x 0 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级4Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的拉力（方向的拉力（x 0）作用时，其变化情）作用时，其变化情况如图况如图5-3（c）所示。电偶极矩）所示。电偶极矩1增大，增大， 2

4、、 3减小，减小，此时它们在此时它们在x、y、z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (1 +2 +3) xR1 1，那么由式，那么由式（6-86-8）可知，理想情况下输入电压幅值）可知，理想情况下输入电压幅值U Uimim为为 icamimCCCFdU 33上式表明前置放大器输入电压上式表明前置放大器输入电压U Uimim与频率无关，一般在与频率无关，一般在/0 033时，就可以认为时，就可以认为U Uimim与与 无关，无关， 0 0表示测量电表示测量电路时间常数之倒数，即路时间常数之倒数，即 R)CCC(ica 10 (6-10) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级

5、34Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5 这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当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（作用于压电元件的力为静态力（ =0=0）时，）时， 前置放大前置放大器的输出电压等于零，器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电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，阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用所以压电传感器不能用于静态力的测量。于静态力的测量。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级35

6、Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级36Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5u下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗输入阻抗(1000M)(1000M)和很低的输出阻抗和很低的输出阻抗(100)(100)，因此使用，因此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压电传感器与一般放大器匹该阻抗变换器

7、可将高阻抗的压电传感器与一般放大器匹配。配。INPUTC1R1R3R5R2C2D2D1BG1R4BG2D3R6C3EOUTPUT电压放大器电压放大器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级37Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5uBG1BG1为为MOSMOS场效应管，做阻抗变换，场效应管，做阻抗变换，R3R3100M100M； BG2 BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。R4R4既既是是BG1BG1的源极接地电阻，也是的源极

8、接地电阻，也是BG2BG2的负载电阻，的负载电阻，R4R4上的交上的交变电压通过变电压通过C2C2反馈到场效应管反馈到场效应管BG1BG1的输入端，保证较高的输入端，保证较高的交流输入阻抗。由的交流输入阻抗。由BG1BG1构成的输入极，其输入阻抗为构成的输入极，其输入阻抗为: :u 引进引进BG2BG2，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为: :u 式中式中AuAu是是BG1BG1源极输出器的电压增益，其值接近源极输出器的电压增益，其值接近1 1。12312(6 11)iR RRRRR(6 12)1iifuRRA 单击此处编辑母版文本样式 第二级

9、第三级 第四级 第五级38Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级39Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5UUodrqC 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级40Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特

10、性， 可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压 U(1)oacirAqCCCA CUroqC 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级41Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级42Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级43Anhui Science and Techn

11、ology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5CoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V输出加速度传感器PV-966.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最终能转压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最终能转换成力的多种物理量。换成力的多种物理量。6.4.1 6.4.1 微振动检测仪微振动检测仪u PV-96PV-96压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路

12、原理图如图压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路原理图如图6-96-9所所示。该电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。示。该电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。图图6-9 微振动检测电路微振动检测电路 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级44Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5u第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容C1C1和反馈和反馈电阻电阻R1R1决定。低频截止频率为决定。低频截止频率为0.053Hz0.053Hz。RFRF是过载

13、保护电是过载保护电阻。阻。u第二级为输出调整放大器，调整电位器第二级为输出调整放大器，调整电位器W1W1可使其输出约可使其输出约为为50mV/gal (1gal=1cm/ )50mV/gal (1gal=1cm/ )。u在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大, ,该电路该电路的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，为了降低噪的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，为了降低噪声，最有效的方法是减小电荷放大器的反馈电容。但是声，最有效的方法是减小电荷放大器的反馈电容。但是当时间常数一定时，由于当时间常数一定时，由于C1C1和和R1R1呈反比关系，考虑到稳呈反比关系，考虑到稳定性，则反馈电容定性，则反馈电容C1C1的减小应适当。的减小应适当。2S 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级45Anhui Science and Technology University 数理与信息工程学院数理与信息工程学院2022-2-5习题与思考题1 1简述正、逆压电效应。简述正、逆压电效应。2 2压电材料的主要特性参数有哪些？压电材料的主要特性参数有哪些？3 3简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。4 4能否用压电传感器测量静态压力？为什么？能否用压电传感器测量静态压力？为什么？5 5如下图所示电荷