压电传感器测量电路

2019/10/211一、压电传感器的工作原理压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。2019/10/212（一）压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。2019/10/213当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。2019/10/214二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料有许多：主要有压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料，另外还有水溶性和铌酸锂压电晶体及压电半导体。1、石英晶体2019/10/215天然形成的石英晶体外形（续）2019/10/216石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体切片及封装2019/10/217石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振2019/10/2182、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。2019/10/219压电陶瓷外形2019/10/2110无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）2019/10/21113、高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。2019/10/2112高分子压电薄膜及拉制2019/10/2113高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆2019/10/2114可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板2019/10/2115压电式脚踏报警器2019/10/2116高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提高输出电压，并联可提高输出电荷。2019/10/2117二、测量电路1、传感器等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为式中，ε0为真空介电常数：ε为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。hACa02019/10/2118因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为—个电压源，如下图b所示。压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Caa)电荷源b)电压源2019/10/21192、基本测量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。2019/10/2120（1）电压放大器压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a所示。图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大器输入电压；C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。如果压电传感器受力为:F=Fmsinωt；则在压电元件上产生的电压为iaiaRRRRRtCdFuamisinuaCaCcCiRaRiR1R2+-uaCaCRuia)b)2019/10/2121而在放大器输入端形成的电压为当＜＜1时，放大器的输入电压为dFCCRjRjuCjRCjRCjCjRCjRuaaai)(111111FCCCduacii2019/10/2122（2）电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中C为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。QCaCcCiRaRiCfRfN2019/10/2123如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf式中，A为开环放大系数。所以有fffifCAUACUAUCUUQ0000)1()()()()(0aciaciiiCCCAUCCCUQffaciCAUAQCAUAQCCCAU000)1(])1([)(2019/10/2124故放大器的输出电压为当A1，而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示为faciCACCCAQU)1(0fCQU02019/10/2125四通道电荷放大器外形.2019/10/2126上图所示的四通道电荷放大器指标灵敏度：0.1～1000mV/pC频率范围：0.3～100KHz噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV准确度：1%最大输出：±10V/10mA电源：220V/50Hz控制方式：计算机或手动2019/10/2127超小型电荷放大器模块主要指标:灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归一化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：±5V或±10V电源：±6V～±15V特点：可组成经济的多点测试系统