傳感器應用技術 課件 知識點：7.2壓電元件的連接與等效電路

傳感器應用技術項目七壓電式傳感器壓電元件的連接與等效電路1.壓電晶片的連接方式在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，為了提高壓電元件的靈敏度，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，而是采用兩片或多片組合結構。常常將兩片或兩片以上的晶片粘結在一起。由于壓電元件是有極性的，粘結的方法有兩種，即并聯和串聯。1.壓電晶片的連接方式習近平總書記強調：“愛國主義是我們民族精神的核心，是中華民族團結奮斗、自強不息的精神紐帶。”他還指出：“在新的時代條件下，弘揚愛國主義精神，必須把維護祖國統(tǒng)一和民族團結作為重要著力點和落腳點。以鑄牢中華民族共同體意識為主線，推動新時代黨的民族工作高質量發(fā)展。我國是一個統(tǒng)一的多民族國家，民族團結就是各族人民的生命線。中華民族大家庭，56個民族休戚與共、榮辱與共、生死與共、命運與共，共同構成了你中有我、我中有你、誰也離不開誰的中華民族命運共同體?！?.壓電元件的并聯結構與特點

并聯方法兩片壓電晶片的負電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。2.壓電元件的并聯結構與特點串聯方法正電荷集中于上極板，負電荷集中于下極板，而中間極板的上片產生的負電荷與下片產生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯。傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。(b)串聯+－－+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，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。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，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。

2.壓電元件的并聯結構與特點3.壓電元件的串聯結構與特點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。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。其電容量為：(a)qCa3.壓電元件的串聯結構與特點當兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯電路，如圖(b)。3.壓電元件的串聯結構與特點由等效電路可知，只有在外電路負載為無窮大，且內部無漏電時，電壓源才能保持長期不變，如果負載不是無窮大，則電路就會按指數規(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，壓電傳感器內部不可能沒有泄漏，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，壓電傳感器不適宜靜態(tài)測量。3.壓電元件的串聯結構與特點實際使用時，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CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進去。當考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖5-6所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。

（a）電壓源

（b）電荷源3.壓電元件的串聯結構與特點值得注意的是：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。由等效電路可知，壓電式傳感器的泄漏電阻與前置放大器的輸入電阻相并聯，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泄漏電阻在1012W以上，才能使內部電荷的泄漏減少到滿足一般測試精度的要求；與此相適應，測試系統(tǒng)則應有較大的時間常數，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，即產生測量誤差。3.壓電元件的串聯結構與特點既然壓電傳感器可以等效為電壓源或電荷源，那么，壓電傳感器的靈敏度也有兩種表示方式。一種用單位外力作用下產生的電壓表示，稱為電壓靈敏度，用Su表示