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第五章壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器,它以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ),其基本工作原理是在外力作用下,電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷,即壓電效應;壓電傳感器的兩表面所形成的極板相當于電容器的兩個極板,輸出量是電荷,從而實現(xiàn)非電量的電測目的,所顯示的電壓取決于壓電傳感器的電容。主要用于測力和可轉(zhuǎn)化為力的物理量,如壓力、應力、加速度等。壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量輕等優(yōu)點。近年來,由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展,隨著與之配套的儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電纜的出現(xiàn),使壓電傳感器的使用更為方便。因此,在工程力學、生物醫(yī)學、電聲學等許多技術(shù)領(lǐng)域中,壓電式傳感器獲得了廣泛的應用。壓電式傳感器的主要材料是電介質(zhì)材料中石英晶體(SO2)電介質(zhì)是最常用的壓電材料。還有一類人工合成的多晶體陶瓷電介質(zhì),如欽酸鋇、鋯鈦酸鉛等,也作為壓電材料得到應用。5.1壓電效應自然界有許多晶體,它們是由極性分子構(gòu)成的,當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r,內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當外力去掉后,又重新恢復不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應。當作用力方向改變時,電荷極性也隨著改變。相反,在電介質(zhì)的極化方向施加電場,這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(電致伸縮效應)。圖5-1表示了天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形。石英結(jié)晶是一個正六面體,在晶體學中它可以三根互相垂直的軸來表示。其中縱向軸Z-Z稱為光軸;經(jīng)過正六面體棱線,并垂直于光軸的X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”,而把沿機械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”,沿光軸Z-Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。圖5-1石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系5.1.1石英晶體壓電效應石英晶體所以具有壓電效應,是與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分開的。組成石英晶體的硅離子Si4-和氧離子O在平面投影,如圖5-2(a)所示。為討論方便,將這些硅、氧離子等效為圖5-2(b)中六邊形排列,圖中“”代表Si4-,”代表2O.5.1.1石英晶體壓電效應
“當作用力F=0時,正、負離子(即和)正好分布在六邊形頂角上,形成三個互成120°夾角的偶極矩如圖5-3(a)所示。此時正負電荷中心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即當晶體受到沿X方向的壓力(F<0)作用時,晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮,正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化,如圖5-3(b)所示。此時正、負電荷中心不再重合,電偶極矩在X方向的分量為5.1.1石英晶體壓電效應圖5-2硅氧離子的排列示意圖a)硅氧子在Z平面上的投影b)等效為正六邊形排列的投影5.1.1石英晶體壓電效應圖5-3石英晶體的壓電機機構(gòu)示意圖5.1.1石英晶體壓電效應在Y、Z方向的分量為由上式可以看出,在X軸的正方向出現(xiàn)正電荷,在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。當晶體受到沿X方向的拉力(F>0)作用時,其變化情況如圖5-3(c)所示。此時電極矩的三個分量為由上式看出,在X軸的正方向出現(xiàn)負電荷,在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。5.1.1石英晶體壓電效應由此可見,當晶體受到沿X(即電軸)方向的力Fx作用時,它在X方向產(chǎn)生正電壓效應,而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。晶體在Y軸方向力F作用下的情況與Fx相似。當Fy>0時,晶體的形變與圖5-3(b)相似;當Fy<0時,則與圖5-3(c)相似。由此可見,晶體在Y(即機械軸)方向的力Fy作用下,使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應,在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。在晶體Z軸方向力Fz的作用下,因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應變完全相同,所以,正、負電荷中心保持重合,點偶極矩矢量和等于零。這就表明,沿Z(即光軸)方向的力Fz作用下,晶體不產(chǎn)生壓電效應。假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片,使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸,如圖5-4所示。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。圖5-4石英晶體切片5.1.1石英晶體壓電效應當晶片受到沿X軸方向的壓縮應為作用時,晶片將產(chǎn)生厚度變形,并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi),極化強度與應力成正比,即(5-1)5.1.1石英晶體壓電效應式中:FX沿晶軸X方向施加的壓縮力;d11壓電系數(shù),當受力方向和變形不同時,壓電系數(shù)也不同,石英晶體;L,b——石英晶片的長度和寬度。極化強度在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度,即(5-2)式中:垂直于X軸平面上電荷。將(5-2)代入(5-1)式,得(5-3)5.1.1石英晶體壓電效應其極間電壓為(5-4)式中電極面間電容,根據(jù)逆壓電效應,晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮,即(5-5)或用應變表示,則(5-6)式中:為X軸方向的電場強度。在X軸方向施加壓力時,左旋石英晶體的X軸正向帶正電;如果作用力Fx改為拉力,則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷,但極性相反,見圖5-5(a)、(b)。5.1.1石英晶體壓電效應圖5-5晶片上電荷極性與受力方向關(guān)系如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向,其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn),其極性見圖5-5(c)、(d),此時電荷的大小為5.1.1石英晶體壓電效應式中,石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸對稱條件:,則(5-7)式為(5-7)(5-8)式中,t晶片厚度。則其電極間電壓為(5-9)根據(jù)逆壓電效應,晶體在Y軸方向產(chǎn)生伸縮變形,即5.1.1石英晶體壓電效應(5-10)或用應變表示(5-11)由上述可知:1).無論是正或逆壓電效應,其作用力(或應變)與電荷(或電場強度)之間呈線性關(guān)系;2).晶體在哪個方向上有正壓電效應,則在此方向上一定存在逆壓電效應;3).石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。5.1.2壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷屬于電體一類的物質(zhì),是人工制造的多晶壓電材料。它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域,它有一定的極化方向,從而存在一定的電場。在無外電場作用時,各個電疇在晶體上雜亂分布,它們的極化效應被相互抵消,因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零,見圖5-6(a).在外力電場的作用下,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動,趨向于按外力電場的方向排列,從而使材料得到極化,如圖5-6(b)所示。極化處理后陶瓷內(nèi)部仍在有很強的剩余極化強度,如圖5-6(c)。為了簡單起見,圖中把極化后的晶粒畫成單疇(實際上極化后晶粒往往不是單疇)。圖5-6壓電陶瓷中的電疇變化示意圖極化處理前(b)極化處理過程中(c)極化處理后但是,當我們把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時,卻無法測出陶瓷內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來,即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷,另一端出現(xiàn)負束縛電荷,如圖5-7所示。5.1.2壓電陶瓷的壓電效應圖5-7陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖由于束縛電荷的作用,在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等,它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F,如圖5-8所示,陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變(圖中虛線),片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小,極化強度也變小。
圖5-8正壓電效應示意圖(實線代表形變前的情況;虛線代表形變后的情況)
因此,原來吸附在電極上的自由電荷,有一部分被釋放,而出現(xiàn)的距離變小,極化強度也變小。因此,原來吸附在電極上的自由電荷,有一部分被釋放,而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤銷后,陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程),片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大,極化強度也變大,因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?,或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象,就是正壓電效應。
同樣,若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場,如圖5-9所示,由于電場的方向與極化強度的方向相同。所以電場的作用使極化強度增大。這時,陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大,就是說,陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變(圖中虛線)。同理,如果外加電場的方向與極化方向相反,則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。5.1.2壓電陶瓷的壓電效應這種由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象,就是逆壓電效應。圖5-9逆壓電效應示意圖(實線代表形變前的情況;虛線代表形變后的情況)5.1.2壓電陶瓷的壓電效應由此可見,壓電陶瓷所以具有壓電效應,是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后,陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用(如壓力或電場的作用)能使此極化強度發(fā)生變化,陶瓷就出現(xiàn)壓電效應,此外,還可以看出,陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷,而不是自由電荷,這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象,是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化,引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。5.1.2壓電陶瓷的壓電效應5.2壓電材料
應用于壓電式傳感器中的壓電材料主要有兩種:一種是壓電晶體,如石英等;另一種是壓電陶瓷,如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。對壓電材料要求具有以下幾個方面特性。①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。機械性能。壓電元件作為受力元件,希望它的機械強度高、機械剛度大,以期獲得寬的線性范圍和高的面有振動頻率。②電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù),以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。④環(huán)境適應強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好,要求具有較高的居里點,獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。5.2.1石英晶體
石英是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好,在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化,如圖5-10和圖5-11所示。
圖5-10石英的d系數(shù)相對于20°C的d隨溫度變化特性圖5-11石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性
5.2.1石英晶體
由圖可見,在20°C~200°C溫度范圍內(nèi),溫度每升高1°C,壓電系數(shù)僅減少0.016%。但是相當溫度達到居里點(573°C)時,石英晶體便失去了壓電特性。石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定,機械強度高,絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴,且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多,因此,一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。需要指出,因為石英石是一種各向異性晶體,因此,按不同方向切割的晶片,其物理性質(zhì)(如彈性、壓電效應、溫度特性等)相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時,根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型,下面對石英切片的切型作必要的介紹。
5.2.1石英晶體
石英晶體的切型符號有兩種表示方法:一種是IRE標準規(guī)定的切型符號表示法:另一種是習慣符號表示法。IRE標準規(guī)定的切型符號包括一組字母(X、Y、Z、t、l、b)和角度。用X、Y、Z中任意兩個字母的先后排列順序,表示石英晶體厚度和長度的原始方向:用字母t(厚度)、l(長度)、b(寬度)表示旋轉(zhuǎn)軸的位置。當角度為正時,表示順時針旋轉(zhuǎn)。例如:(YXl)35°切型,其中第一個字母Y表示石英晶體在原始位置(即旋轉(zhuǎn)前的位置)時的厚度和角度沿Y軸方向,第二個字母X表示石英晶片在原始位置時的長度沿X軸方向,第三個字母l和角度35°表示石英晶體原始位置的厚度沿X軸方向,長度沿Y軸方向,先繞厚度t逆時針旋轉(zhuǎn)5°5.2.1石英晶體
習慣符號表示法是石英晶體特有的表示法,它由兩個大寫的英文字母組成。例如,AT、BT、CT、DT、NT、MT和FC等。IRE符號和習慣符號之間的對應關(guān)系如表5-1所示。
表5-1石英晶體兩類切型符號之間的對應關(guān)系習慣符號IRE符號習慣符號IRE符號AT(YXl)35°SC(YXbt)24°24′/34°18′BT(YXl)-49°(49°~-49°30′)TS(YXbt)21°55′/33°55′FT(YXl)-57°x-18.5°(XYt)-18°31′a+5(YXl)5°MTCT(YXl)37°(37°~38°)NTDT(YXl)-52°(-57°~--52°)FC(YXbl)15°/34°30′ET(YXl)66°30′GT(YXlt)51°/45′AC(YXl)30°RT(YXbt)15°/-34°30′AC(YXl)30°RT(YXbt)15°/-34°30′BC(YXl)~60°LC(YXbl)11°39.9′/9°23.6′ST(YXl)42°46′5.2.2壓電陶瓷壓電陶瓷由于具有很高的壓電系數(shù),因此在壓電式傳感器中得到廣泛應用。壓電陶瓷主要有幾下幾種。(一)鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO)是由鈦酸鋇(BaCO)和二氧化鈦(TiO)按1:1克分子比例混合后充分研磨成型,經(jīng)高溫1300~1400°C燒結(jié),然后再經(jīng)人工極化處理得到的壓電陶瓷。這種壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)(約為石英晶體的50倍)。不足之處是居里溫度低(120°C),溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。表5-2列出了目前常用壓電材料的主要特性,表中除了石英、壓電陶瓷外,還有壓電半導體ZnO、CdS,它們在非壓電基片上用真空蒸發(fā)或濺射方法形成很薄的膜構(gòu)成半導體壓電材料。
表5-2常用壓電材料的主要特性
材料形狀壓電系數(shù)()相對介電系數(shù)居里溫度()密度()機械品質(zhì)因數(shù)石英a-SiO
單品d4.65732.65鈦酸鋇BaTiO
陶瓷dd1700-1205.7300鋯鈦酸鉛PZT陶瓷460~3400180~3507.5-7.665-1300硫酸鎘CdS陶瓷ddd10.39.354.28氧化鋅ZnO單品ddd11.09.265.68聚二氟乙烯PVF
延伸薄膜d5-1201.8復合材料PVFPZT薄膜d100~1205.5~65.2.2壓電陶瓷目前已研制成將氧化鋅(ZnO)膜制作在MOS晶體管柵極上的PI-MOS力敏器件。當力作用在ZnO薄膜上,由壓電效應產(chǎn)生電荷并加在MOS管柵極上,從而改變了漏極電流。這種力敏器件具有靈活度高,響應時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料,可測取力和溫度等參數(shù)。表中聚二氟乙烯(PVF)是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應薄膜較強的聚合物薄膜,這種合成高分子就其對稱性來看,不存在壓電效應,但是這些物質(zhì)具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu),存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列,并在分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當在膜方向加直流高壓電場極化后,就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性,并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末,制成混合復合材料(PVF-PZT)。
5.3壓電式傳感器的測量電路
5.3.1等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時,在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。顯然,可以把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器,如圖5-14(a)所示,也可以把它視為兩級板上聚集異性電荷,中間位絕緣體的電容器,如圖5-14(b)所示。其電容量為Ca=式中:S極板面積(m);t晶體厚度(m);壓電晶體的介電常數(shù)();壓電晶體的相對介電常數(shù)(石英晶體為4.58);真空介電常數(shù)(=8.85);
圖5-14壓電傳感器的等效原理
當兩級板聚集異性電荷時,則兩極板就呈現(xiàn)出一定的電壓,其大小為
Ua=(5-13)式中:q極板上聚集的電荷電量(C);兩極板間等效電容(F);兩極板間電壓(V)。
圖5-15壓電傳感器等效電路(a)電壓等效電路(b)電荷等效電路
因此,壓電傳感器可以等效地看作一個電壓源U和一個電容器C的串聯(lián)電路,如圖5-15(a)所示;也可以等效為一個電荷源q和一個電容C的并聯(lián)電路,如圖5-15(b)所示。由等效電路可知,只有傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”,外電路負載無窮大時,壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存下來,否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利,必然帶來誤差。事實上,傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏,外電路負載也不可能無窮大,只有外力以較高頻率不斷地作用,傳感器的電荷才能得以補充,從這個意義上講,壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。5.3.1等效電路如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮連接導線的等效電容、電阻,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。圖5-16是壓電傳感器的完整等效電路。
圖5-16壓電傳感器的完整等效電路圖中:C傳感器的電容;前置放大器輸入電容;連接導線對地電容;包括連接導線在內(nèi)的傳感器絕緣電阻;前置放大器的輸入電阻
5.3.1等效電路由等效電路來看,壓電傳感器的絕緣電阻與前置放大器的輸入電阻相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻(或準靜態(tài))響應,就要求壓電傳感器的絕緣電阻應保持在10以上,才能使內(nèi)部電荷泄漏減小到滿足一般測試精度的要求。與上相適應,測試系統(tǒng)應有較大的時間常數(shù),亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗,否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏,即產(chǎn)生測量誤差。5.3.1等效電路5.3.2測量電路壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用:一是將壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出;二是放大壓電式傳感器輸出的弱信號。根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路,它的輸出可以使電信號也可以是電荷信號。因此設(shè)計前置放大器也有兩種形式:一種是電壓放大器,其輸出電壓和輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比;另一種是電荷放大器,其輸出電壓與輸入電荷成正比。一、電壓放大器壓電傳感器連接電壓放大器的等效電路如圖5-17(a)所示。圖5-17(b)為簡化的等效電路圖。圖5-17壓電傳感器連接電壓放大器的等效電路圖5-17(b)中,等效電阻R為R=;等效電容為C=C+而U壓電元件所受作用力F為:
F=F(5-14)
式中:F作用力的幅值。若壓電元件材料時壓電陶瓷,其壓電系數(shù)為d,則在外作用力下,壓電元件產(chǎn)生的電壓值為U(5-15)
或(5-16)
由圖5-17(b)可得送入放大器輸入端得電壓U,將其寫為復數(shù)形式,為(5-17)
的幅值為=(5-18)輸入電壓與作用力之間的相位差為=令,為測量回路的時間常數(shù),并令,則可得=(5-19)(5-20)由(5-20)式可知,如果,即作用力變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠大于1時,前置放大器的輸入電壓U與頻率無關(guān)。一般認為,可以近似看做輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這說明,在測量回路時間常數(shù)一定的條件下,壓電式傳感器具有相當好的高頻響應特性。但是,當被測動態(tài)量變化緩慢,而測量回路時間常數(shù)不大時,就會造成傳感器靈敏度下降,因而要要擴大工作頻帶的低頻端,就必須提高測量回路的時間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)K,會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)靈敏度K的定義,得K=因為R>>1故上式可以近似為
K
(5-21)
由式(5-21)可知,傳感器的電壓靈敏度K與回路電容成反比,增加回路電容必然使傳感器的靈敏度下降。為此常將輸入內(nèi)阻R很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大,測量回路時間常數(shù)越大,則傳感器低頻響應也越好。由(5-20)式可以看出,當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時,將改變,U也將隨之變化,從而使前置放大器的輸出電壓也發(fā)生變化(A為前置放大器增益)。因此傳感器與前置放大器組合系統(tǒng)的輸出電壓與電纜電容有關(guān)。在設(shè)計時,常常把一電纜長度定位一常值。因而在使用時,如果改變電纜長度,必須重新校正靈敏度值,否則由與電纜電容得改變,將會引入測量誤差。圖5-18為一實用的阻抗變換電路。MOS型FFT管3DOIF為輸入級,R為它的自給偏置電阻,R提供串聯(lián)電流負反饋。適當調(diào)節(jié)R的大小可以使R得負反饋接近100%。此電路的輸入電阻可達2。圖5-18阻抗變換器近年來,由于線性集成運算器的飛躍發(fā)展,出現(xiàn)了如5G28型結(jié)型場效應管輸入的高阻抗器件,因而由集成運算放大器構(gòu)成的電荷放大器電路進一步得到發(fā)展。隨著MOS和雙極型混合集成電路的發(fā)展,具有更高阻抗的器件也將問世。因而電荷放大器將有良好的發(fā)展遠景。二、電荷放大器電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器,其等效電路如圖5-19所示。若放大器的開環(huán)增益A足夠大,并且放大器的輸入阻抗很高,則放大器輸入端幾乎沒有分流,運算電流僅流入反饋回路C與R。由圖5-19可知
i=(U)(j=[U-(A–U)]
(j)=U[j](5-22)
圖5-19電荷放大器原理電路圖根據(jù)(5-22)式可畫出等效電路圖,如圖5-20所示。圖5-20壓電傳感器接至電荷放大器的等效電路圖由(5-22)式可見,CF、RF等效到A0得輸入端時,電容CF將增大(1+A0)倍。電導也增大了(1+A0)倍。所以圖5-20中=(1+A0)C;=(1+A),這就是所謂“密勒效應”的結(jié)果。由圖5-20電路可以方便地求的U,結(jié)點電壓為U=U=-AU=(5-23)若考慮電纜電容C。則有U=(5-24)
當A足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓U只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)C和R。由于1/R《ωC,則U≈-≈-(5-25)
可見當A足夠大時,輸出電壓只取決于輸入電荷q和反饋電容CF,改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。下面討論運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A對精度的影響。為此我們用如下關(guān)系式
U≈﹣≈(5-27)
以(5-27)式代替(5-26)式所產(chǎn)生的誤差為δ=≈(5-28)
若C=1000pF、C=100pF、C=(100pF/m)×100m=10pF,當要求δ《1%時,則有δ=0.01=由此得A》104。對線性集成運算放大器來說,這一要求是不難達到的。由(5-24)式可知,當工作頻率ω很低時,分母中的電導[1/R+(1+A0)/RF]與電納jω[Ca+Cc+(1+A0)CF]相比不可忽略。此時電荷放大器的輸出電壓U就成為一復數(shù),其幅值和相位都將與工作頻率ω有關(guān),即U≈≈-(5-29)
由(5-29)式可知,—3dB截止頻率為f=(5-30)相位誤差
(5-31)可見壓電式傳感器配用電荷放大器時,其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)R1和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當給定工作頻帶下限截止頻率fL時,反饋電阻RF值可以由(5-30)式確定。譬如當CF=1000pF,fL=0.16H時,則要求R1》10Ω。5.4壓電式傳感器的應用5.4.1壓電式加速度傳感器(一)結(jié)構(gòu)原理壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種??v向效應型是最常見的一種結(jié)構(gòu),如圖5-21所示。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型,通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載,使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。當傳感器感受振動時,因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小,因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動,并受到與加速度方向相反的慣性力,此力為F=ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為q=d33F=d33ma(5-32)此式表明電荷量直接反映加速度大小。它的靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度,一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊的質(zhì)量會影響被測振動,同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率,因此一般不用增加質(zhì)量的辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片的數(shù)目和采用合理的連接方法也可以提高傳感器靈敏度。圖5-21縱向效應型加速傳感器的截面圖般壓電片的連接方式有兩種,圖5-22(a)所示為并聯(lián)形式,片上的負極集中在中間極上,其輸出電容C為單片電容C’的兩倍,但輸出電壓U’等于單片電壓U,極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍,即q=2q;U’=U;C’=2C圖5-22層疊式壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)圖5-22(b)為串聯(lián)形式,正電荷集中在上極板,負電荷集中在下極板,而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知,輸出的總電荷q’等于單片電荷q,而輸出電壓U’為單片電壓U的二倍,總電容C’為單片電容C的一半,即q’=q;U’=2U;C’=C在兩種接法中,并聯(lián)接法輸出電荷大,時間常數(shù)大,宜用于測量緩變信號,并且適用于以電荷作為輸出量的場合。而串聯(lián)接法,輸出電壓大,本身電容小,適用于以電壓作為輸出信號,且測量電路輸入阻抗很高的場合。(二)動態(tài)響應壓電式加速度傳感器可用質(zhì)量m,彈簧k、阻尼c的二階系統(tǒng)來模擬,如圖5-23所示。設(shè)被測振動體位移x,質(zhì)量塊相對位移x,則質(zhì)量塊與被測振動體的相對位移為x,即x=x-x根據(jù)牛頓第二定律有:
m==﹣c-kx1
(5-33)
圖5-23二階模擬系統(tǒng)將x1=xm-x0代入上式為m=﹣c(xm-x0)-k(xm-x0)
將上式改寫為++(xm-x0)=﹣
并設(shè)輸入加速度a0=
,輸出為(xm-x0),并引入算子
(D=),將上式變?yōu)?,式中ε—相對阻尼系數(shù),
ω0—固有頻率
ω0=.將上式寫成頻率傳遞函數(shù),則有
(jω)=
(5-35)
其幅頻特性為
=
(5-36)
相頻特性φ=﹣arctan(5-37)
由于質(zhì)量塊與被測振動體相對位移x-x,也就是壓電元件受力后產(chǎn)生的變形量,于是有
F=ky(xm-x0)(5-38)
式中ky—壓電元件彈性系數(shù)。當力F作用在壓電元件上,則產(chǎn)生的電荷為q=d33F=d33ky(xm-x0)(5-39)將上式代入(5-36)式,便得到壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系式=(5-40)
圖5-24曲線表示壓電式加速度傳感器的頻率響應特性。由圖中曲線看出,當被測體頻率ω遠小于傳感器固有頻率ω時,傳感器的相對靈敏度為常數(shù),即
≈
(5-41)
由于傳感器固有頻率很高,因此頻率范圍較寬,一般在幾H到幾千H。但是需要指出,傳感器低頻響應與前置放大器有關(guān)。若采用電壓前置放大器,那么低頻響應將取決于變換
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