12第七章 压电式传感器7-2

在上述两种接法中， 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 本身电容大 ， 时间常数大 ， 测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场 而串联接法输出电压大，本身电容小， 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， 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。 路输入阻抗很高的场合。
& = dFm sin ωt = U sin ωt （7-20） Ua 20） m Ca 式中： Um——压电元件输出电压幅值， 式中： ——压电元件输出电压幅值， 压电元件输出电压幅值
Um=dFm/Ca； d——压电系数。 ——压电系数 压电系数。
由此可得放大器输入端电压U 由此可得放大器输入端电压 i，其复数 形式为
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， 器的电容量大、输出电荷量大、 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。 荷量输出信号。
+ － － + － (a)并联
+
q ′ = 2q；U ′ = U；C ′ = 2C
εS ε r ε 0 S Ca = = δ δ
当两极板聚集异性电荷时， 当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出 一定的电压， 一定的电压，其大小为
q Ua = Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 因此，压电传感器还可以等效为电压源 和一个电容器C 和一个电容器 a的 串联电路， 串联电路，如图 (b)。 。
预预预预 预压压压
图7-12 压电式加速度传感器结构图
外外
质质质 基基
当加速度传感器和被测物一起受到冲 击振动时， 击振动时 ， 压电元件受质量块惯性力的作 根据牛顿第二定律， 用 ， 根据牛顿第二定律 ， 此惯性力是加速 度的函数， 度的函数， 即 F=ma
式中： 质量块产生的惯性力； 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； 质量块的质量 a——加速度。 加速度。 加速度
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， 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、 应快、输出电压大，故这种传感器适用于 应快、输出电压大， 测量以电压作输出的信号和频率较高的信 号。
1 q′ = q；U ′ = 2U；C ′ = C 2
+ + － － (b)串联
Ua ( b) Ca
Ca
ua
q
Ca
(a)
(b)
图7-14 压电传感器的等效电路 电压源; （a） 电压源; （b） 电荷源
实际使用时， 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 器相连接，连接导线的等效电容 大器的输入电阻R 输入电容C 大器的输入电阻 i、输入电容 i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R 以后， 的绝缘电阻 a以后，压电传感器完整的等效 电路可表示成图7-15所示的电压等效电路 所示的电压等效电路 电路可表示成图 ）。这两种等效电 （a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电 ）和电荷等效电路（ ）。 路是完全等效的。 路是完全等效的。
q=d11F=d11ma
此时惯性力F作用于压电元件上，因而 此时惯性力 作用于压电元件上， 作用于压电元件上 产生电荷q，当传感器选定后， 为常数 为常数， 产生电荷 ，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为 F=ma
通 常 A=104~108 ， 因 此 , 当 满 足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式可表示为： 上式可表示为：
q Uo ≈ − CF
（7-30） 30）
由上式知， 电荷放大器的输出电压 Uo 由上式知 ， 只取决于输入电荷与反馈电容CF，与电缆 无关， 成正比， 因此， 电容 Cc 无关 ， 且与 q 成正比 ， 因此 ， 采用 电荷放大器时， 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 以上 ， 其灵敏度也无明显变化， 放大器的最大特点。 在实际电路中， 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~ pF。 100~104pF。
7.3 压电式传感器的测量电路 7.3.1 压电晶片的连接方式 在实际应用中， 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， 不止一片， 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， 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。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时 ， 放大器输入 电压 Uim 如式 （ 7-10 ） 所示 ， 式中 Cc 为连 如式（ 10）所示， 接电缆电容，当电缆长度改变时， 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变， 改变 ， 因而 Uim 也随之变化 。 因此 ， 压电 也随之变化。 因此， 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。 意更换， 否则将引入测量误差。
7.3.3 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， 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 其中， 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。） 路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）
在理想情况下， 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)R>>1 ， 那么由式 （ 5-22 ） 可知 ， 那么由式（ 22） 可知， 理想情况下输入电压幅值Uim为
U im
d 33 Fm = Ca + Cc + Ci
基基
传感器上盖为传力元件， 传感器上盖为传力元件 ， 它的外缘壁 厚为0 厚为 0.1~0.5mm， 外力作用使它产生弹 mm ， 性变形，将力传递到石英晶片上。 性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶 片采用xy 切型 片采用 xy切型， 利用其纵向压电效应 ， xy 切型， 利用其纵向压电效应， 实现力—电转换。 通过d11实现力—电转换。
7.4 压电式传感器的应用 如图是压电式单向测力传感器的结构图， 如图是压电式单向测力传感器的结构图， 主要由石英晶片、绝缘套、电极、 主要由石英晶片 、 绝缘套 、 电极 、 上盖及 基座等组成。 基座等组成。
石石石石
F
6.3 压电式传感器的应用
上上
图6-11 压力式单向测力传感器结构图
绝绝绝
压电
集成压电式传感器
是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用 压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电 荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传 感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好， 操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用 于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 典型应用：
前置放大器的作用： 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； 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。 器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式： 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 电压放大器， 阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电 即传感器的输出)成正比 压(即传感器的输出 成正比；另一种是用带 即传感器的输出 成正比； 电容板反馈的电荷放大器 电荷放大器， 电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输 入电荷成正比。 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， 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。 故而电荷放大器应用日益广泛。
2. 电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图7-17 电荷放大器等效电路
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， 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， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra 和Ri并联电阻。 并联电阻。
7.3.2 压电传感器的等效电路 当压电晶体承受应力作用时， 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。 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。 电容并联的电荷发生器。 其电容量为： 其电容量为：
Ca q (a)
1. 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 7-16 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 放大器电路;
在图7 16（ 在图7-16（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri), 电阻R /(R 电容C 电容 C=Cc+Ci ， 而 ua=q/Ca ， 若压电元件受 正弦力f 正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为 sinωt的作用 的作用，
·脉搏计数探测 ·按键键盘，触摸键盘 ·振动、冲击、碰撞报警 ·振动加速度测量 ·管道压力波动 ·其它机电转换、动态力检测等
脉搏计照片
压电式加速度传感器 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。 下图是一种压电式加速度传感器的结构图 。 它主要由压电元件、质量块、 预压弹簧、 它主要由压电元件 、 质量块 、 预压弹簧 、 基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内， 基座及外壳等组成 。 整个部件装在外壳内 ， 并由螺栓加以固定。 并由螺栓加以固定。