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5.3 压电式传感器 5.3.1 压电式传感器的工作原理 5.3.2 等效电路及信号变换电路 5.3.3 压电式加速度传感器 5.3.4 压电式测力传感器 5.3.2 等效电路及信号变换电路 1. 压电元件的等效电路 2. 压电式传感器的信号调节电路 S—极板面积；h—压电片厚度；ε—介质介电常数。 1. 压电元件的等效电路 压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时也是一个以压电材料为介质的电容器，电容量为Ca。 图5.3.8压电元件的等效电路 压电式传感器的等效电路 (a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电压源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 图5.3.8 压电式传感器的等效电路 两个压电片的联接方式 （a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，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地方。 图5.3.9 两个压电片的联接方式 （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 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，且测量电路输入阻抗很高的地方。 2. 压电式传感器的信号调理电路 XC=1/2πfc，压电式传感器要求负载电阻RL很大，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在于高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用: 把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 （1）电压放大器 Ca——传感器的电容 Ra——传感器的漏电阻 Cc——连接电缆的等效电容 Ri——放大器的输入电阻 Ci——放大器的输入电容 图5.3.10电压放大器输入端等效电路 K——闭环放大倍数 前置放大器输入电压 压电元件受到的交变正弦力 F=Fmsinωt 压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11·F。 输入电压的幅值： 当作用力是静态力（ω=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 传感器的低频响应范围 电压放大器应用限制 电缆长→ Cc就大→Ku ↓，故压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。 解决电缆问题的办法 将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。 图5.3.11 内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器 （2）电荷放大器 压电式传感器另一种专用的前置放大器。 它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，其输入阻抗高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。 使用电荷放大器突出的一个优点： 在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。 压电传感器与电荷放大器连接等效电路 图5.3.12 压电传感器与电荷放大器连接等效电路 Ca——传感器的电容 Ra——传感器的漏电阻 Cc——连接电缆的等效电容 Ri——放大器的输入电阻 Ci——放大器的输入电容 K——开环放大倍数 几点结论： 1.UO只与Q和Cf有关，而与K的变化或Cc等均无关系； 2.只要保持Cf的数值不变，Uo 与 Q变化成线形关系； 3.Cf ↓ → Uo ↑ ； 4. UO/ Q ↑ →必须选择适当的反馈电容； 5.UO与Cc无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci） K——放大器的开环增益,放大器采用FET，Ri很大。 充电电压接近等于放大器的输出电压 5.3 压电式传感器 5.3.1 压电式传感器的工作原理 5.3.2 等效电路及信号变换电路 5.3.3 压电式传感器的应用 5.3.3 压电式加速度传感器 图5.3.13 压缩式压电加速度传感器的结构原理图 压电元件采用并联接法 测量原理 当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比