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文档简介

磁电或者压电作用

被测非电量电动势测量电路U、I第5章电动势式传感器电动势式传感器的定义通过磁电或压电作用,被测非电量转换为电动势的传感器。电动势式传感器的感测量磁场、速度、位移、加速度、压力、电流等。电动势式传感器的种类根据工作原理:感应式、霍尔式和压电式等。5.1磁电式传感器5.2霍尔式传感器5.3压电式传感器第5章电动势式传感器磁电式传感器:利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。有源传感器:不需要辅助电源,就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。特点:输出功率大,性能稳定,具有一定的工作带宽(10~1000Hz)。一、磁电式传感器概述§5.1

磁电式传感器根据电磁感应定律,当导体在稳恒均匀磁场中,沿垂直磁场方向运动时,导体内产生的感应电势为B稳恒均匀磁场的磁感应强度;l导体有效长度;v导体相对磁场的运动速度。二、磁电式传感器工作原理1、恒磁通式工作原理变磁通式恒磁通式分类感生电动势原理动生电动势原理§5.1

磁电式传感器磁路系统产生恒定的磁场,磁路中的工作气隙固定不变,因而气隙中磁通也是恒定不变的。二、磁电式传感器工作原理1、恒磁通式工作原理该传感器在使用时,把它与被测物体紧固在一起;当物体振动时,壳体随被测振动体一起振动。此时线圈、阻尼器和心杆的整体由于惯性而不随之振动,因此它们与壳体产生相对运动,位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线,于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势该电动势与速度呈一一对应关系,可直接测量速度,经过几分或微分电路便可测量位移或加速度。§5.1

磁电式传感器当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时,设穿过线圈的磁通为φ,则线圈内的感应电势E与磁通变化率dφ/dt关系为二、磁电式传感器工作原理2、变磁通式工作原理1—永久磁铁;2—软磁铁;3—感应线圈;4—铁齿轮;开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在被测旋转体上,随被测体一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次,线圈中产生感应电势。感应电势变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单,但输出信号较小,不宜测量高转速的场合。三、磁电式传感器测量电路§5.1

磁电式传感器磁电式传感器直接输出电动势,且通常具有高的灵敏度,一般不需要高增益放大器。磁电式传感器是速度传感器,若要获得被测位移或加速度信号,则需配用积分电路或微分电路。5.1磁电式传感器5.2霍尔式传感器5.3压电式传感器第5章电动势式传感器霍尔:1879年设霍尔元件为N型半导体,当通电流I时FL=qvB一、霍尔效应§5.2

霍尔式传感器UHbldIFFvB当电场力与洛仑兹力相等时,达到动态平衡,有qEH=qvB霍尔电场的强度为EH=vB霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq;v=I/nqbdUH=BI/nqd;若取RH=1/nq则有RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。霍尔系数由半导体材料性质决定,反映材料霍尔效应的强弱。一、霍尔效应§5.2

霍尔式传感器UHbldIFFvB霍尔电压为霍尔元件的灵敏度:

一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小。KH即为霍尔元件的灵敏度。霍尔电压与材料的性质有关;与元件的尺寸有关。霍尔元件:基于霍尔效应工作的半导体器件。霍尔元件材料:多采用N型半导体材料。霍尔元件组成:霍尔片、四根引线和壳体。二、霍尔元件的结构与特性§5.2

霍尔式传感器最常用的霍尔元件材料有:锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。霍尔元件的壳体:用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。1、霍尔元件的构造霍尔片是一块半导体单晶薄片(4×2×0.1mm3),长度方向两端面上焊有a、b两根引线,通常用红色导线,称为控制电极;在另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线,通常用绿色导线,称为霍尔电极。二、霍尔元件的结构与特性§5.2

霍尔式传感器锗(Ge):灵敏度低、温度特性及线性度好。锑化铟(InSb):灵敏度最高、受温度影响大。1、霍尔元件的构造溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件输出1输出2输入1输入2磁性顶端引线衬底霍尔元件霍尔元件电路图形符号:

1—1’激励电极2—2’霍尔电极基本连接方式与测量电路二、霍尔元件的结构与特性§5.2

霍尔式传感器2、霍尔元件的测量电路WUHRLE(1)额定功耗在环境温度25℃时,允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。二、霍尔元件的结构与特性§5.2

霍尔式传感器3、霍尔元件的技术参数(4)霍尔温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下,温度变化1℃时,霍尔电势变化的百分率。(2)输入电阻和输出电阻输入电阻:控制电流极之间的电阻。输出电阻:霍尔元件电极间的电阻。在无磁场时用欧姆表等测量。(3)不平衡(等位)电势在额定控制电流下,不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。AIU0BCD霍尔元件不等位电动势也叫传感器输出电压的零位误差。三、霍尔元件测量误差和补偿§5.2

霍尔式传感器1、零位误差及补偿方法AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4不等位电动势与等效电路电桥补偿原理:在阻值较大的桥臂上并联电阻。温度影响电阻率、迁移率、载流子浓度,导致霍尔元件内阻、霍尔电势随温度变化。三、霍尔元件测量误差和补偿§5.2

霍尔式传感器2、温度误差及补偿方法(1)恒流源补偿当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时,输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下,可考虑在输入端采用恒流源补偿。输入电阻随温度变化而引起控制电流的变化极小,减少了输入端温度影响。霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数,大多数霍尔元件的温度系数α是正值时,霍尔电势随温度的升高而增加。同时,让控制电流I相应地减小,能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响

三、霍尔元件测量误差和补偿§5.2

霍尔式传感器2、温度误差及补偿方法(2)热敏电阻补偿对于用温度系数大的半导体材料制成的霍尔元件,常采用热敏电阻进行补偿。霍尔输出随温度升高而下降,只要能使控制电流随温度升高而上升,就能补偿。RRt输入回路补偿:在输入回路串入热敏电阻,当温度上升时其阻值下降,从而使控制电流上升。三、霍尔元件测量误差和补偿§5.2

霍尔式传感器2、温度误差及补偿方法(2)热敏电阻补偿输出回路补偿:在负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用热敏电阻补偿时,热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近,温度变化一致。(3)电桥补偿调节电位器W1可消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成,在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。RLRRtw1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。霍尔器件做成各种形式的探头,放在被测磁场中,使磁力线和器件表面垂直,通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。

1、霍尔元件检测磁场电位差计mAESNR霍尔磁敏传感器测磁场原理四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器霍尔元件置于磁场中,左半部磁场方向向上,右半部磁场方向向下。从a端通人电流I,左和右半部产生霍尔电势UH1和UH2,方向相反。因此,c、d两端电势为UH1-UH2。若霍尔元件在初始位置时UH1=UH2,则输出为零。改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时,可得输出电压,大小正比于位移量。2、霍尔式位移传感器四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器加上压力后,使磁系统和霍尔元件间产生相对位移,改变作用到霍尔元件上的磁场,从而改变它的输出电压UH。由事先校准的P~f(UH)曲线即可得到被测压力的值。3、霍尔式压力传感器霍尔元件磁钢压力P波登管NSSN四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器4、霍尔式计数装置霍尔开关传感器绝缘板磁铁NS霍尔计数装置及电路+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2计数器四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器5、霍尔式表面覆盖层厚度测量装置测量铁磁性物质表面非磁性涂层0123

500400300200100四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器6、霍尔式汽车电子点火器霍尔传感器隔磁罩磁钢缺口霍尔传感器隔磁罩缺口磁钢当缺口对准霍尔元件时,磁通通过霍尔传感器形成闭合回路,电路导通,霍尔电路输出≤0.4V的低电平。当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时,电路截止,霍尔电路输出高电平。

四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器7、霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器结构输入轴输入轴霍尔式传感器四、霍尔传感器的应用§5.2霍尔式传感器5.1磁电式传感器5.2霍尔式传感器5.3压电式传感器第5章电动势式传感器

5.3压电式传感器压电式传感器的定义利用压电材料的压电效应,实现机械能与电能相互转换的传感器。压电式传感器的感测量动态力、机械冲击和振动,在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。压电式传感器的种类根据工作原理:正压电效应型和逆压电效应型。压电效应

被测非电量电压值测量电路U、I电荷值

5.3压电式传感器压电加速度计压电陶瓷超声换能器压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电警号一、压电效应的基本概念1、正压电效应某些物质沿某一方向受到外力作用时,会产生变形,同时内部产生极化现象,在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷,当外力去掉后,又重新恢复到不带电的状态,这种现象称为压电效应。FF++++++------F=0F------++++++F当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。

5.3压电式传感器一、压电效应的基本概念2、逆压电效应当在某些物质的极化方向上施加电场,这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力;当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。压电元件机械能电能应力应变电荷电场3、压电效应的特点(1)压电效应具有可逆性

5.3压电式传感器一、压电效应的基本概念3、压电效应的特点(2)具有瞬时性当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频率相同。(3)具有不稳定性当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。

5.3压电式传感器二、压电效应的基本原理压电单晶体:石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)。常见的压电材料可分为两类:压电单晶体和多晶体压电陶瓷。多晶体压电陶瓷:钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。天然石英压电陶瓷

5.3压电式传感器二、压电效应的基本原理天然石英晶体,结构形状为一个六角形晶柱,两端为一对称的棱锥。在晶体学中,用三根互相垂直的轴建立描述晶体结构形状的坐标系。纵轴Z称为光轴,通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴,与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。1、石英晶体压电效应

5.3压电式传感器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Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。二、压电效应的基本原理1、石英晶体压电效应纵向压电效应:沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应。横向压电效应:沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应切向压电效应:沿相对两棱加力时产生的压电效应。沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。

5.3压电式传感器二、压电效应的基本原理石英晶体具有压电效应,由内部分子结构决定的。一个单元组体中,构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。“+”代表硅离子Si4+,“-”代表氧离子O2-。2、石英晶体压电效应的微观机理

5.3压电式传感器(a)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。(b)在X轴方向压缩,表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。(c)沿Y轴方向压缩,在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷二、压电效应的基本原理d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向;a、b、c—石英晶片的长度、厚度和宽度。3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系若从晶体上沿y方向切下一块晶片,当沿电轴x方向施加应力时,晶片将产生厚度变形,并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内,极化强度与应力成正比。在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为yxzOxzyacb

5.3压电式传感器二、压电效应的基本原理d11=-d12

,石英晶体轴对称条件。

若在同一切片上,沿机械轴y方向施加应力,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为yxzOxzyacb产生电荷q11和q12的符号,决定于受压力还是受拉力。

3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系

5.3压电式传感器二、压电效应的基本原理①当晶片受到x方向的压力作用时,qx只与作用力Fx成正比,而与晶片的几何尺寸无关;②

沿机械轴y方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的;③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的;④

晶体在哪个方向上有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应;⑤无论是正或逆压电效应,其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间皆呈线性关系。4、石英晶体压电效应特点

5.3压电式传感器压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,有一定的极化方向,从而存在电场。二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应极化处理前极化处理后在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,各自的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此,原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。

5.3压电式传感器在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,当外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变化,即剩余极化强度很大,这时材料才具有压电特性。

二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应极化处理前极化处理后极化处理后压电陶瓷才具有压电特性。

5.3压电式传感器陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来:在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷。二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图极化方向-----+++++自由电荷束缚电荷电极-----+++++由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等,屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。因此,无外力或外场作用时,极化处理后的压电陶瓷也表现不出来对外界的电场或应力。

5.3压电式传感器-----+++++-----+++++极化方向(1)正压电效应在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F,陶瓷片产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷,而出现放电现象。二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,极化强度也变大。因此,电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这些过程出现的电现象为正压电效应。F-+-----+++++-----+++++极化方向-+

5.3压电式传感器E电场方向极化方向-----+++++-----+++++(2)逆压电效应若在压电陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大,即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应同理,如果外加电场的方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应,或者由电能转变为机械能的现象,就是压电陶瓷的逆压电效应或电致伸缩效应。

5.3压电式传感器(3)电荷量与作用力的关系与石英晶体不同,通常取压电陶瓷的极化方向为z轴,垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴。二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应d33为压电陶瓷的压电系数。因此,在z轴方向上受力时,在极化方向上出现电荷,与压电陶瓷几何尺寸无关。y----++++FzFzxz纵向变形当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷,电荷量q与作用力Fz成正比,即

5.3压电式传感器(3)电荷量与作用力的关系压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时,在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷,电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比,即二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应Az极化面面积;Ax、Ay受力面面积;d32、d31压电陶瓷的横向压电系数。y----++++FyFyxz横向变形y----++++FxFxxz横向变形

5.3压电式传感器(3)电荷量与作用力的关系当作用力Fz、Fy或Fx反向时,电荷的极性也反向。压电陶瓷在受到作用力Fx、Fy、Fz共同作用时,在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷。二、压电效应的基本原理5、压电陶瓷的压电效应y----++++FzFzxzFyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----纵向变形横向变形体积变形因此,无论在什么方向上施加作用力产生压缩形变时,压电陶瓷的正、逆压电效应只出现在其极化方向。但在力矩作用下产生剪切形变时,在其他方向上也会呈现压电效应。

5.3压电式传感器压电式传感器基本原理:压电材料的压电效应,即当有力作用在压电材料上时,传感器就有电荷或电压输出。三、压电式传感器的测量特性压电式传感器不能用于静态测量:外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,需要测量回路具有无限大的输入阻抗,这实际上是不可能的。压电式传感器适用于动态测量:压电材料在交变力的作用下,电荷可以不断补充,以供给测量回路一定的电流。无铅压电陶瓷及换能器双面镀银封装石英晶片

5.3压电式传感器压电式传感器在有些测量中需要预载:压电式传感器在测量低压力时线性度不好,这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致,即低压力下力的传递损失较大。为此,在力传递系统中加入预加力,称预载。预载除了消除低压力使用中的非线性外,还可以消除传感器内外接触表面的间隙,提高刚度。三、压电式传感器的测量特性拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩,只有在加预载后才能用压电式传感器测量。各种压电式传感器

5.3压电式传感器单片压电元件产生的电荷量甚微,为了提高压电传感器的输出灵敏度,在实际应用中常采用两片或两片以上同型号的压电元件粘结在一起。常见粘结两种方法:并联和串联。

四、压电元件的连接方式1、压电元件的并联连接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。外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍,电容量也增加了1倍,输出电压与单片时相同。++---+

5.3压电式传感器四、压电元件的连接方式2、压电元件的串联连接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。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。并联接法适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。串联接法适宜用于以电压作为输出信号,并且测量电路输入阻抗很高的场合。

+--+-+外力作用下正负电极上的电荷量与单片时相同,输出电压增加了1倍,电容量为单片时的1/2倍。

5.3压电式传感器四、压电元件的连接方式

5.3压电式传感器当压电晶体承受应力作用时,在其两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。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。电容量为五、压电式传感器的等效电路1、电荷源等效电路qCa电荷源等效电路

5.3压电式传感器当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压。压电传感器也可看成一个电压与一个电容串联的电压源。电压为五、压电式传感器的等效电路2、电压源等效电路电压源等效电路UaCa

5.3压电式传感器实际使用时,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电压等效电路和电荷等效电路。五、压电式传感器的等效电路3、实际使用的电荷源和电压源等效电路等效电压源等效电荷源这两种等效电路是完全等效的。

5.3压电式传感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。压电式传感器本身内阻抗很高,输出电信号很微弱,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。前置放大器的形式:一般有两种电路,一种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。高阻抗输入的前置放大器是测量电路的关键。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。六、压电式传感器测量电路

5.3压电式传感器在等效电路中,电阻R=ReRi/(Re+Ri),电容C=Ce+Ci,而ua=q/Ca,若压电元件受正弦作用力为1、电压放大器(阻抗变换器)(1)电压放大器电路原理压电元件电压为输入等效电路电压放电器原理电路Um=dFm/Ca压电元件输出电压幅值,d压电系数。

5.3压电式传感器放大器输入端电压复数形式为1、电压放大器(阻抗变换器)(1)电压放大器电路原理在理想情况下,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ω(Ca+Cc+Ci)R>>1。根据Uim(ω)的表达式,在理想情况下输入电压幅值为输入等效电路放大器输入端电压幅值为输入电压和作用力之间相位差为

5.3压电式传感器1、电压放大器(阻抗变换器)(1)电压放大器电路原理输入等效电路①压电传感器不能测量静态物理量。

②当ωτ>>1时(工程中认为ωτ>3可满足要求),输入电压与信号频率无关。优点:时间常数一定时,高频响应特性好。缺点:低频响应差。提高低频响应的办法是增大时间常数,即增大电容或提高输入电阻。前置放大器输入回路的时间常数为

5.3压电式传感器1、电压放大器(阻抗变换器)(2)传感器电压灵敏度前置电路要有高输入阻抗:

因为传感器电压灵敏度与电容成反比,所以提高低频响应的办法只能是增大前置输入回路电阻,这样导致电压放大器响应差。压电式传感器的电压灵敏度为因此,要求电压放电器前置电路具有高输入阻抗。前置电压放电器采用高输入阻抗的运算放大器,具有阻抗变换的作用。

5.3压电式传感器1、电压放大器(阻抗变换器)从传感器的输出电压和电压灵敏度可见,连接电缆的分布电容Ce影响传感器输出电压和灵敏度,使用时更换电缆就要求重新标定,测量系统对电缆长度变化很敏感,这是电压放大器的缺点。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。解决电缆分布电容的影响和低频响应差的缺点可采用电荷放大。

(2)传感器电压灵敏度

5.3压电式传感器运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流,故可等效成略去Ra和Ri并联电阻的电路。2、电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。通常A=104~108,当满足(1+A)Cr>>Ca+Cc+Ci时,则有(1)电荷放电器输出电压电荷放大器等效电路反馈电容Cr折合到放大器输入端的有效电容为(1+A)Cr。电荷放大器的输出电压为

5.3压电式传感器2、电荷放大器电荷放大器输出电压(2)电荷放电器的特点①电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容,与电缆电容无关,且与电荷成正比。②采用电荷放大器时,即使连接电缆长度在百米以上,灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器的最大特点。④为了得到必要的测量精度,要求反馈电容Cr的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中,考虑到不同的量程等因素,Cr的容量做成可选择的,范围一般为102~104pF。③电路复杂,价格昂贵。

5.3压电式传感器压电式传感器主要测量动态力、机械冲击和振动,在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。1、压电式力传感器压电式单向测力传感器的结构,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,外缘壁厚为0.1~0.5mm,当外力作用时,产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。利用压电效应,实现力—电转换。石英晶片的尺寸为φ8×1mm。该传感器的测力范围为0~50N,最小分辨率为0.01N,固有频率为50~60kHz,整个传感器重为10g。七、压电式传感器的应用

5.3压电式传感器2、压电式加速度传感器压电式加速度传感器的结构,主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及

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