工程測(cè)試第三章傳感器(編輯修改稿)
2024-10-08 20:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 FdQ ??式中 d — 壓電常數(shù)。 壓電效應(yīng)結(jié)論： （ 1）有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。 （ 2）逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)相等。 壓電晶體分類： 單晶體：石英晶體等 多晶體：壓電陶瓷等 ?（ 1）石英晶體 石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。 石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好，機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能好。 壓電材料及壓電傳感器結(jié)構(gòu)形式 （ 2）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成。 1）極化前 它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的 “ 電疇 ” 結(jié)構(gòu)。 原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。 2）極化處理：所謂極化處理，就是在一定 溫度下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)的方向如圖（ b）所示。 壓電陶瓷穩(wěn)定性較石英晶體差。 當(dāng)這種經(jīng)極化后的鐵電體在受到外力作用時(shí)，其剩余極化強(qiáng)度將隨之變化，所以也表現(xiàn)出壓電特性。 壓電式傳感器及其等效電路 壓電傳感器是用壓電材料制成的力 —電轉(zhuǎn)換元件。 當(dāng)壓電傳感器受到外力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電軸或垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個(gè)表面上聚集正電荷，在另一個(gè)表面上聚集等量的負(fù)電荷。因此，可以把壓電式傳感器看作一個(gè)靜電電容器。 其電容量為 0aAC ????元件等效電路 電荷源 等效成為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容的電荷等效電路： 電容器上的電壓 Ua（開路電壓）、電荷 Q與電容 Ca之間存在著以下關(guān)系： aa CQU ?提高靈敏度的方法 在壓電式傳感器中，壓電傳感器常用兩片或兩片以上組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。 1）并聯(lián)法 兩壓電片的負(fù)極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種連接方法稱為并聯(lián)。輸出電容 C‘為單片電容的 倍；輸出電壓 U等于單片電壓 Ua； 極板上電荷量 Q’為單片電荷量 Q的 n倍，即 Q＇ =nQ U=Ua C＇ = n Ca 2)串聯(lián)法 正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。 Q＇ =Q U=nUa C＇ = 3）比較： ● 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上負(fù)載后時(shí)間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合，相對(duì)來說允許被測(cè)對(duì)象變化頻率稍低。 ● 串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。 4） 壓電傳感器 等效電路 Ra為傳感器的漏電阻； Cc為連接電纜的分布電容； Ri為相連放大器的輸入電阻； Ci為相連放大器的輸入電 容 。 5）壓電傳感器的靈敏度 壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式：電荷靈敏度、電壓靈敏度。 ● 電壓靈敏度：?jiǎn)挝粰C(jī)械量（力）作用時(shí)的傳感器輸出電壓值； ● 電荷靈敏度：?jiǎn)挝粰C(jī)械量（力）作用時(shí)的傳感器輸出電荷量。 4 測(cè)量電路 1）由于壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，需將其輸出電信號(hào)進(jìn)行放大才能測(cè)量出來； 2）壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當(dāng)高，不是普通放大器能放大的，需進(jìn)行阻抗匹配； 3）連接電纜的長(zhǎng)度、噪聲對(duì)系統(tǒng)輸出有明顯影響。 傳感器的輸出信號(hào)先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的前置放大器。 前置放大器 ● 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例。 電荷放大器 電荷放大器是壓電式傳感器專用的前置放大器。它能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電源正比于輸入電荷。 一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá) 1010～ 1012?， 而輸出阻抗小于 100?。 原理：電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器。 A是放大器的開環(huán)增益 電荷放大器的輸入
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