压电式传感器 (3).pptVIP

对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量q与作用力Fz成正比，即式中：d33——压电陶瓷的压电系数；Fz——作用力。第28页，共55页，星期日，2025年，2月5日压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比，即式中Az——极化面面积；Ax、Ay——受力面面积；d32、d31——压电陶瓷的横向压电系数第29页，共55页，星期日，2025年，2月5日压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。第30页，共55页，星期日，2025年，2月5日6.2压电式传感器的测量电路等效电路：当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。＋＋＋＋――――q电极压电晶体(a)qCa(b)压电传感器的等效电路当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为其电容量为第31页，共55页，星期日，2025年，2月5日二、测量转换电路1．压电元件的等效电路a为电荷等效电路b为电压等效电路由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。注意第32页，共55页，星期日，2025年，2月5日压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路压电传感器等效电路传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。第33页，共55页，星期日，2025年，2月5日如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。相应测量电路也应有较大的时间常数，即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将也会通过输入电路泄漏，即产生测量误差。第34页，共55页，星期日，2025年，2月5日压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。1、电压放大器第35页，共55页，星期日，2025年，2月5日图（b）中，等效电阻R为Fm——作用力的幅值压电元件所受作用力C=Cc+Ci等效电容为若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为Um——电压幅值由图(b)可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为而第36页，共55页，星期日，2025年，2月5日Ui的幅值Uim为输入电压与作用力之间的相位差φ为令τ=R(Ca+Cc+Ci)，τ为测量回路的时间常数，并令ω0=1/τ，则可得可见，如果ω/ω01，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时。前置放大器的输入电压Ui