壓電式檢測元件

1、CCUUqq22；CCUUqq212； 在上述兩種接法中，并聯接法輸出電在上述兩種接法中，并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，適宜用荷大，本身電容大，時間常數大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。場合。 而串聯接法輸出電壓大，本身電容而串聯接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。量電路輸入阻抗很高的場合。 當壓電晶體承受應力作用時，在它的兩個當壓電晶體承受應力作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷。極面上出現極性相反但電量相等的電荷。故可把壓

2、電傳感器看成一個電荷源與一個故可把壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯的電荷發(fā)生器。電容并聯的電荷發(fā)生器。SSCra0其電容量為：其電容量為：當兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現出當兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現出一定的電壓，其大小為一定的電壓，其大小為 aaCqU 因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器和一個電容器Ca的的串聯電路，如圖串聯電路，如圖 (b)。圖圖5-14 5-14 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（a a） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 CauaCaq(a)(b)實際使用時，壓電傳感器通過導線與測量儀實

3、際使用時，壓電傳感器通過導線與測量儀器相連接，連接導線的等效電容器相連接，連接導線的等效電容CC、前置放、前置放大器的輸入電阻大器的輸入電阻Ri、輸入電容、輸入電容Ci對電路的影對電路的影響就必須一起考慮進去。當考慮了壓電元件響就必須一起考慮進去。當考慮了壓電元件的絕緣電阻的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖電路可表示成圖5-15所示的電壓等效電路所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電）。這兩種等效電路是完全等效的。路是完全等效的。圖圖5-15 5-15 壓電傳感器的完整等效電路壓電傳感器的完整等效電路 （a a

4、） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量值利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量值時，必須采取一定的措施，使電荷從壓電時，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經測量電路的漏失減小到足夠小程晶片上經測量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補充，可以供給測量電路一定的電流，斷補充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常

5、先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗交換以后，方的前置放大器中，經過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路其中，測量電路的關鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）的關鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。出的微弱電信號。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻前置放大器電路有兩種形式

6、：一是用電阻反饋的反饋的電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電成正比；另一種是用帶電容板反饋的容板反饋的電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。而電荷放大器應用日益廣泛。AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)tUtCdFUmamasinsin由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復數，其

7、復數形式為形式為 )CC(RjRjFdUa33i1(5-21) Ui的幅值的幅值Uim為為 .2221)CCC(RRFd)(Uicam33im輸入電壓和作用力之間相位差為輸入電壓和作用力之間相位差為 R)CCC(arctanica2(5-22) (5-23) 在理想情況下，傳感器的在理想情況下，傳感器的R Ra a電阻值與前置放電阻值與前置放大 器 輸 入 電 阻大 器 輸 入 電 阻R Ri i都 為 無 限 大 ， 即都 為 無 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，理想情況下輸入電壓幅

8、值理想情況下輸入電壓幅值U Uimim為為 icam33imCCCFdU上式表明前置放大器輸入電壓上式表明前置放大器輸入電壓U Uimim與頻率無關，與頻率無關，一般在一般在/0 033時，就可以認為時，就可以認為U Uimim與與 無關，無關， 0 0表示測量電路時間常數之倒數，即表示測量電路時間常數之倒數，即 RCCCica)(10(5-24) 這表明壓電傳感器有很好的高頻響應，這表明壓電傳感器有很好的高頻響應，但是，當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力但是，當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（ =0=0）時，）時， 前置放大器的輸出電壓等于前置放大器的輸出電壓等于零，零， 因為電荷會通過放大器輸入電阻

9、和傳因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。能用于靜態(tài)力的測量。 AuoCiqCaCeCrfdoCqUU由運算放大器基本特性，由運算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸可求出電荷放大器的輸出電壓出電壓 ficaoC)A(CCCAqU1FoCqU 由上式知，電荷放大器的輸出電壓由上式知，電荷放大器的輸出電壓U Uo o只取決于輸入電荷與反饋電容只取決于輸入電荷與反饋電容C CF F，與電纜，與電纜電容電容C Cc c無關，且與無關，且與q q成正比，成正比，因此，采用因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長度在

10、百米電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷這是電荷放大器的最大特點。放大器的最大特點。 在實際電路中，在實際電路中，C CF F的的容 量 做 成 可 選 擇 的 ， 范 圍 一 般 為容 量 做 成 可 選 擇 的 ， 范 圍 一 般 為10010100104 4pFpF。 壓電式傳感器在測量低壓力時線性度壓電式傳感器在測量低壓力時線性度不好，主要是傳感器受力系統中力傳遞系不好，主要是傳感器受力系統中力傳遞系數非線性所致。數非線性所致。 為此，為此， 在力傳遞系統中在力傳遞系統中加入預加力，稱預載。這除了消除低壓力加入預加力，稱預

11、載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內使用中的非線性外，還可以消除傳感器內外接觸表面的間隙，提高剛度。外接觸表面的間隙，提高剛度。 特別是，特別是，它只有在加預載后才能用壓電傳感器測量它只有在加預載后才能用壓電傳感器測量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。 6.3 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 圖6-11 壓力式單向測力傳感器結構圖 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為壁厚為0.10.5mm0.10.5mm，外力作用使它產生，外力作用使它產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石

12、英晶片采用晶片采用xyxy切型，切型， 利用其縱向壓電效應，利用其縱向壓電效應， 通過通過d d1111實現力實現力電轉換。電轉換。下圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。下圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內，基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。并由螺栓加以固定。 圖6-12 壓電式加速度傳感器結構圖 當加速度傳感器和被測物一起受到沖當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力是

13、加速用，根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，度的函數， 即即 q=d11F=d11ma 式中：式中：F質量塊產生的慣性力；質量塊產生的慣性力； m質量塊的質量；質量塊的質量； a加速度。加速度。 F=ma（6-14） q=d11F=d11ma 與加速度與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。器輸出的電荷便可知加速度的大小。 此時慣性力此時慣性力F作用于壓電元件上，因而作用于壓電元件上，因而產生電荷產生電荷q，當傳感器選定后，當傳感器選定后，m為常數，為常數， 則傳感器輸出電荷為則傳感器輸出電荷為madFdq3333SPdFdq111122vtLLvtLLBA當信號發(fā)生器產生的正弦交流信號加在壓電陶瓷當信號發(fā)生器產生的正弦交流信號加在壓電陶瓷片兩端面時，壓電陶瓷片將產生機械振動，在空片兩端面時，壓電陶瓷片將產生機械振動，在空氣中激發(fā)出聲波。所以，換能器氣中激發(fā)出聲波。所以，換能器S1是聲頻信號發(fā)是