第六章_压电式传感器(二).ppt

6.3 6.3 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路6.3.1 压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式 在实际应用中，由于单片的输出电荷在实际应用中，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，即片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间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大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。荷量输出信号。(a a a a)并联并联并联并联+串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集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测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。号。(b b b b)串联串联串联串联+图图6-5 6-5 压电元件连接方式压电元件连接方式(a)(a)相同极性端粘结；相同极性端粘结；(b)(b)不同极性端粘结不同极性端粘结 在在上上述述两两种种接接法法中中，并并联联接接法法输输出出电电荷荷大大，本本身身电电容容大大，时时间间常常数数大大，适适宜宜用用在在测测量量慢慢变变信信号号并并且且以以电电荷荷作作为为输输出出量量的的场场合合。而而串串联联接接法法输输出出电电压压大大，本本身身电电容容小小，适适宜宜用用于于以以电电压压作作输输出出信信号号，并并且且测测量量电电路输入阻抗很高的场合。路输入阻抗很高的场合。6.3.2 压电传感器的等效电路当当压压电电晶晶体体承承受受应应力力作作用用时时，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。故故可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个电电荷荷源源与与一一个个电容并联的电荷发生器，其电容量为：电容并联的电荷发生器，其电容量为：(a a)q qC Ca a图图6-12 6-12 压电元件的等效电路压电元件的等效电路（a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为一定的电压，其大小为 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图(b)。U Ua aC Ca a(b b)实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪实际使用时，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器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放、前置放大器的输入电阻大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图电路可表示成图6-13所示的电压等效电路所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（）和电荷等效电路（b）。这两种等效电）。这两种等效电路是完全等效的。路是完全等效的。图图6-13 6-13 压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路 （a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 值得注意的是：值得注意的是：利用压电式传感器测量静态或准静态量值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，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。故压电传感器适宜作动态测量。6.3.3 6.3.3 压电式传感器的测量电路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，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。指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗前置放大器的作用：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。出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的反馈的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；另一种是用带电成正比；另一种是用带电容板反馈的容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入，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。而电荷放大器应用日益广泛。1.电荷放大器电荷放大器图图6-14 6-14 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 电电荷荷放放大大器器常常作作为为压压电电传传感感器器的的输输入入电电路路，由由一一个个反反馈馈电电容容C Cf f和和高高增增益益运运算算放放大大器器构构成成。由由于于运运算算放放大大器器输输入入阻阻抗抗极极高高，放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，故故可可略略去去R Ra a和和R Ri i并联电阻。并联电阻。式中式中 ：u uo o放大器输出电压；放大器输出电压；u ucfcf反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输可求出电荷放大器的输出电压出电压 通通 常常A A=10=104 410108 8，因因 此此,当当 满满 足足(1+(1+A A)C Cf fC Ca a+C Cc c+C Ci i时时，式式（6-126-12）可可表表示为示为 （6-13）（6-12）由由式式（6-136-13）可可见见，电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压u uo o只只取取决决于于输输入入电电荷荷与与反反馈馈电电容容C Cf f，与与电电缆缆电电容容C Cc c无无关关，且且与与q q成成正正比比，因因此此，采采用用电电荷荷放放大大器器时时，即即使使连连接接电电缆缆长长度度在在百百米米以以上上，其其灵灵敏敏度度也也无无明明显显变变化化，这这是是电电荷荷放放大大器器的的最最大大特特点点。为为了了得得到到必必要要的的测测量量精精度度，要要求求反反馈馈电电容容C Cf f的的温温度度和和时时间间稳稳定定性性都都很很好好，在在实实际际电电路路中中，考考虑虑到到不不同同的的量量程程等等因因素素，C Cf f的的容容量量做做成成可可选选择的，范围一般为择的，范围一般为10010100104 4pFpF。压压电电式式传传感感器器在在测测量量低低压压力力时时线线性性度度不不好好，这这主主要要是是传传感感器器受受力力系系统统中中力力传传递递系系数数为为非非线线性性所所致致，即即低低压压力力下下力力的的传传递递损损失失较较大大。为为此此，在在力力传传递递系系统统中中加加入入预预加加力力，称称预预载载。这这除除了了消消除除低低压压力力使使用用中中的的非非线线性性外外，还还可可以以消消除除传传感感器器内内外外接接触触表表面面的的间间隙隙，提提高高刚刚度度。特特别别是是，它它只只有有在在加加预预载载后后才才能能用用压压电电传传感感器器测测量量拉拉力力和和拉拉、压压交交变变力力及及剪力和扭矩。剪力和扭矩。6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 如如图图是是压压电电式式单单向向测测力力传传感感器器的的结结构构图图，主主要要由由石石英英晶晶片片、绝绝缘缘套套、电电极极、上上盖盖及及基座等组成。基座等组成。图6-11 压力式单向测力传感器结构图 6.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 传传感感器器上上盖盖为为传传力力元元件件，它它的的外外缘缘壁壁厚厚为为0.10.5mm0.10.5mm，当当外外力力作作用用时时，它它将将产产生生弹弹性性变变形形，将将力力传传递递到到石石英英晶晶片片上上。石石英英晶晶片片采采用用xyxy切切型型，利利用用其其纵纵向向压压电电效效应应，通通过过d d1111实实现现力力电电转转换换。石石英英晶晶片片的的尺尺寸寸为为881mm1mm。该该传传感感器器的的测测力力范范围围为为050N050N，最最小小分分辨辨率率为为0.01 0.01 N N，固固有有频频率率为为5060 5060 kHzkHz，整整个个传传感感器器重重为为10 g10 g。下下图图是是一一种种压压电电式式加加速速度度传传感感器器的的结结构构图图。它它主主要要由由压压电电元元件件、质质量量块块、预预压压弹弹簧簧、基基座座及及外外壳壳等等组组成成。整整个个部部件件装装在在外外壳壳内内，并由螺栓加以固定。并由螺栓加以固定。图6-12 压电式加速度传感器结构图 例例6-1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 当当加加速速度度传传感感器器和和被被测测物物一一起起受受到到冲冲击击振振动动时时，压压电电元元件件受受质质量量块块惯惯性性力力的的作作用用，根根据据牛牛顿顿第第二二定定律律，此此惯惯性性力力是是加加速速度的函数，度的函数，即即 F=maq=d11F=d11ma 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力；m质量块的质量；质量块的质量；a加速度。加速度。F=ma（6-14）q=d11F=d11ma 与加速度与加速度a a成正比。因此，测得加速度传感成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。器输出的电荷便可知加速度的大小。此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而作用于压电元件上，因而产生电荷产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数，则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为例例6-2 压电式压力传感器压电式压力传感器图图6-15 6-15 压电式测压传感器压电式测压传感器引线引线引线引线壳体壳体壳体壳体基座基座基座基座压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片受压膜片受压膜片受压膜片受压膜片导电片导电片导电片导电片p p当膜片受到压力当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为为即：压电式压力传感器的输出电荷即：压电式压力传感器的输出电荷q与输与输入压强入压强P成正比。成正比。例例6-3 压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用A AB BOO点点点点L LA AL LB B地地地地 面面面面L L如果地面下一均匀的自来水直管道某处如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发发生漏水，水漏引起的振动从生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端点向管道两端传播，在管道上传播，在管道上A、B两点放两只压电传感两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由器，由从两个传感器接收到的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或或LB。两者时间差为两者时间差为t=tA-tB=（LA-LB）/v又又L=LA+LB，所以，所以