[工學(xué)]第7章壓電式傳感器-文庫(kù)吧資料
2025-02-22 23:55本頁(yè)面
【正文】 m c K 基座 （ b ） （ a ） 式中 m —— 壓電元件質(zhì)量； c —— 等效阻尼系數(shù)； k —— 等效剛度系數(shù)； x —— 質(zhì)量塊相對(duì)于基座位移的振幅； a —— 慣性力引起的加速度振幅（即振動(dòng)體加速度的振幅）。 當(dāng)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí) ， 傳感器輸出電荷 （ 或電壓 ） 正比于作用力 。 這樣 ， 質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的交變力作用在壓電元件上 。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，應(yīng)并聯(lián)電阻 Rf。信號(hào)頻率越小， Cf項(xiàng)越重要，當(dāng) ffffsc jj)1)(j(jCgqACgqAU????????????ff gC ??fs c m 2 CqU ?2f2fs c m 2 CgqU???? 這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降 3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為 由上式可見(jiàn)，低頻時(shí)電荷放大器的頻率響應(yīng)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。 一般反饋電容 Cf可選擇的范圍為 100～104pF。 壓電元件本身的電容大小和電纜長(zhǎng)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(diǎn) 。 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(diǎn)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(dǎo)納大于各電導(dǎo)時(shí)，即 gi → 0、 gc→ 0、 gf→ 0， ciafsc )1( CCCACAqU?????? 且放大器的增益 A足夠大時(shí)， （ 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(wú)關(guān) 。一般認(rèn)為 ?/? 0≥3，可以近似地看作輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。這也就是從原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。 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(xiě)成復(fù)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(cè)量回路時(shí)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。 測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào) 二是把它的高輸入阻抗變換為低輸出阻抗 根據(jù)壓電元件的工作原理，前置放大器有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（壓電元件的輸出電壓）成正比，另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 C aC a U QU = Q / C aQ = U C a（ a ） （ b ） 壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式，它可以表示為單位力的電壓或單位力的電荷。 由等效電路可知，只有傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú) “ 漏損 ” ，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存下來(lái)，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電，這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。 顯然可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器 ， 如圖所示 ， 顯然也可以把它視為一個(gè)極板上聚集正電荷 ， 一個(gè)極板上聚
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