[工學]第7章壓電式傳感器(編輯修改稿)
2025-03-15 23:55 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 式中 Fm—— 作用力的幅值。 iaia RR RRR ??ic CCC ??aa Cqu ?tFf ?s inm? q Ca R a C c R i C i A C a C R A U a( a) ( b) 若壓電元件所用壓電材料為壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為 d33，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓均按正弦規(guī)律變化，即 或 式中 Um—— 電壓幅值， 若將放大器輸入端的電壓 ui寫成復數(shù)形式，則可得 tC Fdu ?s inam33a ?tUu a ?s inm?am33m CFdU ?)(j1jcai33i CCCRRfdU???? ??? 的幅值 為 由上式可得輸入電壓與作用力之間的相位 f為 令 為測量回路時間常數(shù)，令 ，則式 若作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力，即 ?→ 0，則前置放大器的輸出 Uim為零。因為電荷就會通過電荷放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。這也就是從原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。 iU? imU?2ica22m33im )(1 CCCRRFdU???????? ?RCCC )(a r c t g2 ica ????? ?fRCCC )( ica ???? ?? 10 ?? ? 20m33im1 ????? RFdU????????????0a r c t g2 ??f 當 ?→ ∞時（高頻），則放大器輸入端的電壓幅值為 在實際應用中認為 ?/? 0 ＞＞ 1（即 ?τ＞＞ 1 ），也就是作用力的變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠大于 1時，前置放大器的輸入電壓 Uim與頻率無關。一般認為 ?/? 0≥3，可以近似地看作輸入電壓與作用力頻率無關。這說明在測量回路時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器的高頻率響應是很好的，這是壓電傳感器的優(yōu)點之一。 icam33imCCCFdU?????? fcfsc CquU ??? q Ca Cc gc Ci gf A Rf CfUscUsc AUa Ca Cc gc Ci gf Ui( a) ( b) 為了便于分析，用圖（ b）的電壓源代（ a）的電荷源，由此可得（用節(jié)點電壓法） 而 ，代入可得 ? ? )j)(()(j)(j)( ffsciiciciaia CgUUCCggUCUU ??? ???????? ?????AUU sci ?? ??)(j)1)(j(jciaciffaasc CCCggACgAUCU???????????? ?? 理想條件下，工作頻率足夠高，各導納大于各電導時，即 gi → 0、 gc→ 0、 gf→ 0， ciafsc )1( CCCACAqU?????? 且放大器的增益 A足夠大時， （ 1+A） Cf ＞＞（ Ca+Ci+Cc） ， 上式表明 ， 輸出電壓 Usc正比于輸入電荷 q， 它的比例系數(shù)為1/Cf， 與工作頻率無關 。 這就是電荷放大器的理想情況 。 壓電元件本身的電容大小和電纜長短不影響或極少影響電荷放大器的輸出 ， 這是電荷放大器的優(yōu)點 。 輸出電壓只取決于輸入電荷 q以及反饋電路的參數(shù) Cf及 Rf。 一般反饋電容 Cf可選擇的范圍為 100～104pF。 ffsc )1( CqCAAqU ????? 當工作頻率很低時 ,gf與 j?Cf值相當 ， gf（ 1+A） 不能忽略； A仍足夠大 ，則式變?yōu)? 其幅值為 該式說明，工作頻率很低時，輸出電壓 Uscm不僅與表面電荷 q有關，而且與參數(shù) Cf、 gf和 ? 有關，但與開環(huán)增益 A無關。信號頻率越小， Cf項越重要，當 ffffsc jj)1)(j(jCgqACgqAU????????????ff gC ??fs c m 2 CqU ?2f2fs c m 2 CgqU???? 這是截止頻率點的輸出電壓，增益下降 3dB時對應的下限截止頻率為 由上式可見，低頻時電荷放大器的頻率響應僅決定于反饋電路參數(shù) Rf和Cf，反饋電阻 Rf還有直流反饋功能。因為在電荷放大器中采用電容負反饋，對直流工作點相當于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，應并聯(lián)電阻 Rf。 ffffL 2121RCgCf ???? 壓電式加速度傳感器 工作
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