压电式检测元件

1、CCUUqq22；CCUUqq212； 在上述两种接法中，并联接法输出电在上述两种接法中，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在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。场合。 而串联接法输出电压大，本身电容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。量电路输入阻抗很高的场合。 当压电晶体承受应力作用时，在它的两个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。极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压

2、电传感器看成一个电荷源与一个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。电容并联的电荷发生器。SSCra0其电容量为：其电容量为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为一定的电压，其大小为 aaCqU 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图 (b)。图图5-14 5-14 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a） 电压源电压源; ; （b b） 电荷源电荷源 CauaCaq(a)(b)实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪实

3、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器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放、前置放大器的输入电阻大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图电路可表示成图5-15所示的电压等效电路所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（）和电荷等效电路（b）。这两种等效电）。这两种等效电路是完全等效的。路是完全等效的。图图5-15 5-15 压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 （a a

4、） 电压源电压源; ; （b b） 电荷源电荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)利用压电式传感器测量静态或准静态量值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，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。故压电传感器适宜作动态测量。由于压电式传感器的输出电信号很微弱，由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常

5、先把传感器信号先输入到高输入阻抗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。指示仪表或记录器中。(其中，测量电路其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）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。出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻前置放大器电路有两种形式

6、：一是用电阻反馈的反馈的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；另一种是用带电成正比；另一种是用带电容板反馈的容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入，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。而电荷放大器应用日益广泛。AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)tUtCdFUmamasinsin由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui，其复数，其

7、复数形式为形式为 )CC(RjRjFdUa33i1(5-21) Ui的幅值的幅值Uim为为 .2221)CCC(RRFd)(Uicam33im输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 R)CCC(arctanica2(5-22) (5-23) 在理想情况下，传感器的在理想情况下，传感器的R Ra a电阻值与前置放电阻值与前置放大 器 输 入 电 阻大 器 输 入 电 阻R Ri i都 为 无 限 大 ， 即都 为 无 限 大 ， 即 ( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )RR1 1，那么由式（，那么由式（5-225-22）可知，）可知，理想情况下输入电压幅

8、值理想情况下输入电压幅值U Uimim为为 icam33imCCCFdU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，与频率无关，一般在一般在/0 033时，就可以认为时，就可以认为U Uimim与与 无关，无关， 0 0表示测量电路时间常数之倒数，即表示测量电路时间常数之倒数，即 RCCCica)(10(5-24) 这表明压电传感器有很好的高频响应，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但是，当作用于压电元件的力为静态力（ =0=0）时，）时， 前置放大器的输出电压等于前置放大器的输出电压等于零，零， 因为电荷会通过放大器输入电阻

9、和传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，感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不所以压电传感器不能用于静态力的测量。能用于静态力的测量。 AuoCiqCaCeCrfdoCqUU由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输可求出电荷放大器的输出电压出电压 ficaoC)A(CCCAqU1FoCqU 由上式知，电荷放大器的输出电压由上式知，电荷放大器的输出电压U Uo o只取决于输入电荷与反馈电容只取决于输入电荷与反馈电容C CF F，与电缆，与电缆电容电容C Cc c无关，且与无关，且与q q成正比，成正比，因此，采用因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在

10、百米电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷这是电荷放大器的最大特点。放大器的最大特点。 在实际电路中，在实际电路中，C CF F的的容 量 做 成 可 选 择 的 ， 范 围 一 般 为容 量 做 成 可 选 择 的 ， 范 围 一 般 为10010100104 4pFpF。 压电式传感器在测量低压力时线性度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不好，主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。数非线性所致。 为此，为此， 在力传递系统中在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力加入预加力，称预

11、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。外接触表面的间隙，提高刚度。 特别是，特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量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。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压电式传感器的应用 图6-11 压力式单向测力传感器结构图 传感器上盖为传力元件，它的外缘传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为壁厚为0.10.5mm0.10.5mm，外力作用使它产生，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英弹性变形，将力传递到石英晶片上。石

12、英晶片采用晶片采用xyxy切型，切型， 利用其纵向压电效应，利用其纵向压电效应， 通过通过d d1111实现力实现力电转换。电转换。下图是一种压电式加速度传感器的结构图。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、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，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。并由螺栓加以固定。 图6-12 压电式加速度传感器结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲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

13、加速用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，度的函数， 即即 q=d11F=d11ma 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m质量块的质量；质量块的质量； a加速度。加速度。 F=ma（6-14） q=d11F=d11ma 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。器输出的电荷便可知加速度的大小。 此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而作用于压电元件上，因而产生电荷产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数， 则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为madFdq3333SPdFdq111122vtLLvtLLBA当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷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。所以，换能器气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发是