[工学]第6章 压电式传感器.pptVIP

（一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形（续） 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 BZ-8701A袖珍式测振仪 压电式传感器 6.4.2 压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 1. 电压放大器（阻抗变换器） 图6-9（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。 在图6-9（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为 （6-6） 式中： Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca； d——压电系数。 图 6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 . (6-7) Ui的幅值Uim为 . (6-8) 输入电压和作用力之间相位差为 (6-9) 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)R1，那么由式（6-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 (6-10) 式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在ω/ω03时，就可以认为Uim与ω无关，ω0表示测量电路时间常数之倒数，即 这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。 当ω(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。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。 2. 电荷放大器 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。 （6-11） 式中 ： uo——放大器输出电压； ucf——反馈电容两端电压。 图6-10 电荷放大器等效电路 由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 （6-12） 通常A=104~108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，式（6-12）可表示为 （6-13） 由式（6-13）可见，电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf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，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100~104pF。 6.3 压电式传感器的应用 6.3.1 压电式测力传感器 图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 图6-11 压力式单向测力传感器结构图 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1~0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11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0.01 N，固有频率为50~60 kHz，整个传感器重为10 g。 6.3.2 压电式加速度传感器 图6-12是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 图6-12 压电式加速度传感器结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即 F=ma （6-14） 式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量；