【正文】 + 粘貼時電路 并聯(lián) + _ + _ U’ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + 電荷增加一倍，適用于電荷放大器 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電元件結(jié)構(gòu)形式 39。239。239。CCUU???U’ + _ _ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ? 壓電晶片按 + + 粘貼時電路 串聯(lián) 電壓增加一倍適用于電壓放大器 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電元件結(jié)構(gòu)形式 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 壓電傳感器等效電路 Q dF?? 壓電傳感器可視為電荷源 / aU Q C?aSCd??aQ C U?/ aU Q C?? 視為 電荷輸出 時可 等效 為電荷源 Q和電容 Ca并聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電荷為： ? 視為 電壓輸出 時可 等效 為電壓源 U與電容 Ca串聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電壓為： ? 看成具有 +、 極性的電容器，可 等效為一個電容器 Ca； ? 電容極板上電壓大小與極板間電荷成正比 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電傳感器等效電路 ? 根據(jù)等效電路 ， 壓電傳感器靈敏度有兩種 uUKF?qQKF?quaKKC? q u aK K C?等效電壓源 等效電流源 aQUC?根據(jù)它們之間的關(guān)系有： 電壓靈敏度 電荷靈敏度 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電傳感器等效電路 等效電壓源 等效電流源 ? 當(dāng)傳感器接測量電路時要考慮以下主要因素： ? 電纜等效電容 Cc ? 接入電路的輸入電容 Ci ? 放大器輸入電阻 Ri ? 傳感器漏電電阻 Ra。 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 壓電傳感器等效電路 ? 壓電元件 內(nèi)阻 很高，需要系統(tǒng)前置電路具有高的輸入阻抗。解決傳感器與前級電路的連接 … ? 壓電元件輸出可以是 電壓源 也可以是電荷源 。因此，前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器 、 電荷放大器 ? 由等效電路可見，只有在負(fù)載 RL→∞ 時受力產(chǎn)生的 電荷 才能長期保存下來，否則放電回路很快將電荷放掉，因此測量 頻率較低時 必須保證 RL很大 ，即時間常數(shù) RLCa= τ大。 ? 前置電路有兩個作用：一是 放大微弱的信號 、二是 阻抗變換 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 ? ?/ , /a i a i c i i aR R R R R C C C u Q C? ? ? ? ?電 阻 電 容 ， 而（ 1）電壓放大器（阻抗變換器） 電壓放大器及等效 電路示意圖 ? 如果壓電元件為 正弦 作用力變化 si nsi nmmF F tu U t????電壓放大器的輸入端 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 sinmaadFQutCC ???2 2 2() 1 ( )mima c id F RUR C C C???? ? ? ?? 送入放大器輸入端的電壓 ui寫成復(fù)數(shù)形式 ? 實際 幅值 （有效值） d 壓電系數(shù)； ω 信號頻率； R = Ra//Ri ? 傳感器上產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化 : 1 ( )im a c ijRU d Fj R C C C??? ? ? ?傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 () mima c idFUC C C?? ??輸入電壓幅值 2 2 2() 1 ( )mima c id F RUR C C C???? ? ? ?幅值 ( ) a r c ta n ( )2 a c iC C C R?? ? ?? ? ? ?( ) 1a c iR C C C??? ? ? ? ? ?當(dāng) 時 （ 即 ）相位差 ? 傳感器電壓靈敏度 imum a c iU dKF C C C?? ??? 實際輸入 ? 理想情況 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 2 2 2( ) ( )() 1 ( )im a c iim a c iU R C C CU R C C C??????? ? ? ?? 前置放大器實際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為 令前置放大器輸入回路的時間常數(shù)為 ()a c iR C C C? ? ? ?12()() 1 ( )imimU KU? ??????? ? 1ta n ( )2?? ? ????( 9 0 7 0 )? ??? 分別得到 相對 幅頻特性 和 相頻特性 ： () mima c idFUC C C?? ?? 2 2 2() 1 ( )mima c id F RUR C C C???? ? ? ?理想 實際 ? 電壓放大器討論： ? 壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量； ? 優(yōu)點(diǎn) : 高頻響應(yīng)特性好 。 一般認(rèn)為當(dāng) ωτ ≥ 3時輸入電壓與信號頻率無關(guān)； ? 缺點(diǎn)： 低頻響應(yīng)差 ， 提高低頻響應(yīng)的辦法是增大 τ， 但不能靠增加輸入電容 Ca （ RLCa= τ） ， 因為電壓靈敏度與電容成反比 。 實際是增大前置輸入回路電阻 Ri 。 12()() 1 ( )imimU KU? ??????? ?/u q aK K C?imum a c iU dKF C C C?? ??? 從 電壓靈敏度 Ku可見，連接電纜的分布電容 Cc影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的 缺點(diǎn) 。 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 ? R R2分壓經(jīng) Rg 耦合作場效應(yīng)管偏置。 ? 觀察 Rg兩端電壓，信號經(jīng) C1耦合到 Rg的A端，由于場效應(yīng)管跟隨作用，使 S（源）G（柵）間電壓大小近似相等、相位相同。 ? 電壓放大器實例： 用場放應(yīng)管實現(xiàn)高阻抗匹配的放大 自舉反饋 電路 （跟隨器） —— 阻抗變換電路 ? 信號經(jīng) C2耦合到 Rg的 B端，這時 Rg兩端電壓近似相等，相當(dāng)于 Rg上的電流很小，意味著場效應(yīng)管輸入阻抗并沒有因偏置分壓電路而降低。 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 qQKF?? 為解決電纜分布電容 Cc 對傳感器靈敏度的影響 ， 和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大 ， 集成運(yùn)放組成的電荷放大器有較好的性能 。 ? 電荷放大器是一種 輸出電壓與輸入電荷量成正比 的前置放大器 。 可利用電容作反饋元件的 深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放 。 （ 2）電荷放大器 imum a c iU dKF C C C?? ??傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 0 cffQUUC? ? ?? 理想情況輸出電壓為： ? 壓電傳感器的輸入電路由一個反饋電容 Cf 和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。 ? 因運(yùn)放輸入端 Ri 阻抗很高，幾乎無分流，可忽略 Ra // Ri 并聯(lián)，輸入只對 Cf 充電。 （ 2）電荷放大器 傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 ? 由運(yùn)放特性可求得電荷放大器輸出電壓 可認(rèn)為電荷放大器 滿足理想條件 ? ?1 1 0 ( )f a c iK C C C C? ? ? ?當(dāng)運(yùn)算放大器增益滿足 K 1（ K =104～ 108） 0( 1 )ia c i fQU U K KCC C C C K C? ? ? ?? ? ? ? ?電荷放大器及等效 電路 0 ( 1 )a c i fKQUC C C K C??? ? ? ?傳感與檢測技術(shù) 第 7章 壓電元件與超聲波傳感器 測量電路 0fQUC??通常 : Ca