檢測技術(shù)與儀表課程設(shè)計報告--壓電傳感器及其應(yīng)用(編輯修改稿)
2025-02-14 22:57 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。 在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。 壓電傳感器的等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖 (b)。圖41壓電傳感器的等效電路（a） 電壓源。 （b） 電荷源 實際使用時，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖41所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。圖42 壓電傳感器的完整等效電路 （a） 電壓源。 （b） 電荷源 利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。 壓電式傳感器的測量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。（阻抗變換器）圖 43 壓電傳感器接放大器的等效電路 （a） 放大器電路。 （b） 等效電路在圖43（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，則其電壓為 式中： Um——壓電元件輸出電壓幅值， Um=dFm/Ca； d——壓電系數(shù)。 由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為 Ui的幅值Uim為輸入電壓和作用力之間相位差為 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R1，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在ω/ω03時，就可以認(rèn)為Uim與ω?zé)o關(guān)，ω0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（ω=0）時， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。當(dāng)ω(Ca+Cc+Ci)R1 時，當(dāng)電纜長度改變時，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測量誤差。電荷放大器等效電路電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容CF和高增益運算放大器構(gòu)成。由于運算放大器輸入
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