压电传感器及应用幻灯片.ppt

* 用同样的方法可求得电荷放大器的零漂Uof输出： 由于零漂是一种变化缓慢的信号，可认为?=0，代入上式可得： (6-14) 由上式可见，若要减小电荷放大器的零漂，必须： 1. 提高放大器的输入电阻Ri(即：使Gi↓)； 2. 提高电缆的绝缘电阻Rc（即：使Gc↓）； 3. 同时要减小反馈电阻R?（即：使G?↑）。 * 压电传感器的应用 压电水下声学接收换能器 ——水听器(Hydrophone) 压电加速度传感器 压电式压力传感器 * 压电传感器的最初应用是在第一次世界大战期间，法国物理学家朗之万（langevin）应法国政府的要求研究一种测潜艇用的装置，朗之万经过多次试验后，最终用石英晶体作成了世界上第一个压电换能器。这就是著名的朗之万换能器。直到今天，这种类型的换能器仍得到应用，并得到改进和发展。因此，在介绍压电传感器的应用时，不可避免地要介绍用于水下探测的压电换能器——水下声呐换能器(有发射型和接收型)。 目前，代替石英晶体的是价廉物美的压电陶瓷及其复合物。 水听器的考核指标有很多，主要的有三个：灵敏度、指向性、工作频率。 压电水下声学接收换能器 ——水听器（Hydrophone） * 1.自由场压电接收灵敏度(FVRS) (Merit of Free-field Voltage Receiving Sensitivity) 自由场电压接收灵敏度Me是换能器输出端的开路电压Voc与声场中引入换能器前在放置换能器处的平面波自由场声压Pf的比值，单位是伏每帕，即 (6-15) 当用分贝表示时，又称自由场电压灵敏度级，通常仍称自由场电压灵敏度，单位是分贝。表示式为 ： (6-16) 其中Meo为电压灵敏度的基准值，所取单位与Me相同，通常采用Meo =1伏/微帕=106伏/帕。 * 则自由场电压灵敏度为 ： (6-17) 由压电方程 得： 由于压电陶瓷的d34 = d35 =d36=0，d32 = d31，而且在等静压状态下，T1= T2 =T3=P，所以： dh为等静压压电电荷常数。 * gh 为等静压压电电压常数；t 为压电元件的厚度。 在等静压作用下，电极表面产生的电荷为： Q=dh·P·S S为电极面积。 将Q=C·V代入上式得： V=dh·P·S / C = dh·P·S·t / ? S =gh·P·t 则 * 则自由场电压灵敏度为： (dB) (6-18) 由此得出，在选定压电元件时，应选gh值和厚度较大的元件， 以获得较大的自由场电压接收灵敏度。 例如：要求自由场电压接收灵敏度为-200 dB，则由(6-18)式得： gh·t=10 – 4 若压电元件的厚度t =10mm，则: gh=0.01 V·m/N =10 mV·m/N 若要求自由场电压接收灵敏度为-180dB，则由(6-18)式得： gh·t=10 - 3 压电元件的厚度仍为t =10mm，则 gh=0.1 V·m/N =100 mV·m/N 对于压电元件来讲，这样的指标是很难达到的。 * 压电元件的工作原理为一个有源电容器，因此，如果一个元件达不到设计所要求的灵敏度，则可将多个压电元件串联起来，组成串联阵列，即所谓的换能器基阵(array)，这样，就相当于增加了厚度t，则可达到提高灵敏度的要求。 如上例，使10个压电元件在电路上串联，等效于使压电元件的厚度增加10倍，这样可以利用gh=10mV·m/N的压电元件，达到灵敏度为-180dB的目的。 * 2.指向性（Directivity） 一般用归一化输出电压指向性函数来表达，表达式为 d1 d2 O Z X Y ? N M ? P 图6-9 线列阵组合平面阵 式中 代表当接收阵 位于待测声源远场区，声波沿 方向入射时， 接收阵输出电压的幅值； 代表声波沿 接收阵最大响应方向 入射时，阵输出电压的幅值。