1、a電荷放大器電路qC一、壓電效應(yīng)二、壓電材料三、壓電式傳感器的測量電路四、壓電式傳感器的應(yīng)用2 壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為根底，在外力作用下,在電介質(zhì)外表產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進展測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、構(gòu)造簡單、工作可靠、重量輕等特點。概述3壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電警號壓電加速度計4 某些電介質(zhì)晶體 當沿著一定方向施加力變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它外表會產(chǎn)生符號相反的電荷； 當外力去掉后，又重新恢復(fù)不

2、帶電狀態(tài)； 當作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變；一、壓電效應(yīng) 這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)5石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率一樣；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于外表漏電而很快泄漏、消失。6壓電元件機械能電能壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)。壓電元件可以將機械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機械能。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)78超聲波傳感器91、石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYX石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學(xué)

3、中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時垂直的YY軸垂直于正六面體的棱面稱為機械軸。10(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+ 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部構(gòu)造決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“代表Si4+，“代表2O2-。 11晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3) Y=0(P1

4、+P2+P3 ) Z=0即在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向那么不出現(xiàn)電荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正、負離子即Si4+和2O2-正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30P1+P2+P3X1，那么，輸入電壓幅值Uim為 上式說明理想情況時前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時，就可以認為Uim與無關(guān)，0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 這說明在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，也就是測量電路輸出與被測信號

5、頻率無關(guān)。36 當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力=0時， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。37當被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數(shù)不大時，會造成傳感器靈敏度下降，因此要擴大工作頻帶的低頻端，就必須進步測量回路的時間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來進步時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得因為R1，故上式可以近似為可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大，那么傳感器低頻響應(yīng)也越好。當改變連接傳感

6、器與前置放大器的電纜長度時Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。38因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否那么將引入測量誤差。 39電荷放大器由一個反響電容C f和高增益運算放大器構(gòu)成。 2. 電荷放大器假設(shè)放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，那么放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反響電容CF。由圖可知i的表達式為：U0(a)電荷放大器電路qCaUiCcCi40根據(jù)該式畫出等效電路圖(b)反響電容CF等效到A0的輸入端時，電容CF將增大(1A0)倍。所以圖中C=(1 A0)CF；這就是所謂“密勒效應(yīng)的結(jié)果。(a)電荷放大器電路qCaUiCcCiU0(b)

7、電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U041運放輸入電壓運算放大器輸出端電壓為：(b)電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U0通常A=104108 ,A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，那么上式可近似為：42說明電荷放大器輸出電壓只與電荷q、反響電容Cf有關(guān)，與放大倍數(shù)及電纜電容無關(guān),當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出，這是電荷放大器的最大特點。反響電容Cf為常數(shù)時，輸出電壓與電荷q成正比。反響電容增大，輸出電壓將減小，所以應(yīng)選擇適宜的反響電容Cf值。CF一般取值100-104pF。43七、壓電式傳感器的應(yīng)用一壓電式加速度傳感器二壓電式壓力傳感器三

8、壓電式流量計四集成壓電式傳感器五壓電傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用六超聲應(yīng)用44 當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座一樣的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖一 壓電式加速度傳感器構(gòu)造：縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，縱向效應(yīng)是最常見的。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。qd33Fd33ma45連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負

9、極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍，即圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷互相抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，而輸出電壓U為單片電壓U的二倍，總電容C為單片電容C的一半，即+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件+并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。46二 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的構(gòu)造形式。但它們的根本原理一樣。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當膜片5受到壓力P作用后，那么在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 F作用