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传感器原理与应用——第五章5.3压电式传感器的测量电路5.3.1压电晶片的连接方式在实际应用中,由于单片的输出电荷很小,因此,组成压电式传感器的晶片不止一片,常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种,即并联和串联。传感器原理与应用——第五章并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上,正电荷集中在两侧的电极上,传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大,故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。(a)并联++---+CCUUqq22;;传感器原理与应用——第五章串联方法正电荷集中于上极板,负电荷集中于下极板,传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大,故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。(b)串联+--+CCUUqq212;;传感器原理与应用——第五章传感器原理与应用——第五章在上述两种接法中,并联接法输出电荷大,本身电容大,时间常数大,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大,本身电容小,适宜用于以电压作输出信号,并且测量电路输入阻抗很高的场合。传感器原理与应用——第五章5.3.2压电传感器的等效电路当压电晶体承受应力作用时,在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。SSCra0(a)qCa其电容量为:传感器原理与应用——第五章当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压,其大小为aaCqU因此,压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路,如图(b)。UaCa(b)传感器原理与应用——第五章图5-14压电传感器的等效电路(a)电压源;(b)电荷源CauaCaq(a)(b)传感器原理与应用——第五章实际使用时,压电传感器通过导线与测量仪器相连接,连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后,压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路(a)和电荷等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。传感器原理与应用——第五章图5-15压电传感器的完整等效电路(a)电压源;(b)电荷源UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)传感器原理与应用——第五章值得注意的是:利用压电式传感器测量静态或准静态量值时,必须采取一定的措施,使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下,电荷可以得到不断补充,可以供给测量电路一定的电流,故压电传感器适宜作动态测量。传感器原理与应用——第五章5.3.3压电式传感器的测量电路由于压电式传感器的输出电信号很微弱,通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。)传感器原理与应用——第五章前置放大器的作用:一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大,几乎可以忽略不计,故而电荷放大器应用日益广泛。传感器原理与应用——第五章图5-16压电传感器接放大器的等效电路(a)放大器电路;(b)等效电路AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)1.电压放大器(阻抗变换器)传感器原理与应用——第五章在图5-16(b)中,电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci,而ua=q/Ca,若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用,则其电压为tsinUtsinCdFUmama(5-20)式中:Um——压电元件输出电压幅值,Um=dFm/Ca;d——压电系数。传感器原理与应用——第五章由此可得放大器输入端电压Ui,其复数形式为)CC(RjRjFdUa33i1(5-21)Ui的幅值Uim.2221)CCC(RRFd)(Uicam33im输入电压和作用力之间相位差为]R)CCC(arctan[ica2(5-22)(5-23)传感器原理与应用——第五章在理想情况下,传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大,即ω(Ca+Cc+Ci)R1,那么由式(5-22)可知,理想情况下输入电压幅值Uim为icamimCCCFdU33上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关,一般在ω/ω03时,就可以认为Uim与ω无关,ω0表示测量电路时间常数之倒数,即R)CCC(ica10(5-24)传感器原理与应用——第五章这表明压电传感器有很好的高频响应,但是,当作用于压电元件的力为静态力(ω=0)时,前置放大器的输出电压等于零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,所以压电传感器不能用于静态力的测量。传感器原理与应用——第五章当ω(Ca+Cc+Ci)R1时,放大器输入电压Uim如式(6-10)所示,式中Cc为连接电缆电容,当电缆长度改变时,Cc也将改变,因而Uim也随之变化。因此,压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换,否则将引入测量误差。传感器原理与应用——第五章-AuoCiqCaCeCr图5-17电荷放大器等效电路2.电荷放大器传感器原理与应用——第五章电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流,故可略去Ra和Ri并联电阻。fdoCqUU式中:Uo——放大器输出电压;Ucf——反馈电容两端电压。传感器原理与应用——第五章由运算放大器基本特性,可求出电荷放大器的输出电压ficaoC)A(CCCAqU1通常A=104~108,因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时,上式可表示为:FoCqU(5-30)(5-29)传感器原理与应用——第五章由上式知,电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容CF,与电缆电容Cc无关,且与q成正比,因此,采用电荷放大器时,即使连接电缆长度在百米以上,其灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器的最大特点。在实际电路中,CF的容量做成可选择的,范围一般为100~104pF。传感器原理与应用——第五章压电式传感器在测量低压力时线性度不好,主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。为此,在力传递系统中加入预加力,称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外,还可以消除传感器内外接触表面的间隙,提高刚度。特别是,它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。
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