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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。

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

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

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。

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。Ca其电容量为:q(a)

当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压,其大小为因此,压电传感器还可以等效为电压源UaCa和一个电容器C的a串联电路,如图(b)。Ua(b)

图5-14压电传感器的等效电路(a)电压源;(b)电荷源

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C、前置放C大器的输入电阻R、输入电容C对电路的影ii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,压电传感器完整的等效a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。

图5-15压电传感器的完整等效电路(a)电压源;(b)电荷源

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。

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。)

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。

1.电压放大器(阻抗变换器)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

在图5-16(b)中,R=RR/(R+R),电容C=C+C,而u=q/C,aiaiciaa若压电元件受正弦力f=Fsinωt的作用,则m其电压为(5-20)式中:U——压电元件输出电压幅值,mU=dF/C;mamd——压电系数。

由此可得放大器输入端电压U,其复数i形式为(5-21).U的幅值U为iim(5-22)(5-23)输入电压和作用力之间相位差为

在理想情况下,传感器的R电阻值与前置a放大器输入电阻R都为无限大,即iω(C+C+C)R1,那么由式(5-22)可知,理aci想情况下输入电压幅值U为im(5-24)上式表明前置放大器输入电压U与频率无关,im一般在ω/ω3时,就可以认为U与ω无关,0ω表示测量电路时间常数之倒数,即im0

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。

当ω(C+C+C)R1时,放大器输aci入电压U如式(6-10)所示,式中C为连cim接电缆电容,当电缆长度改变时,C也将c改变,因而U也随之变化。因此,压电传im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。

2.电荷放大器图5-17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C和高增益运算F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R和R并联电阻。ai式中:U——放大器输出电压;oUcf——反馈电容两端电压。

由运算放大器基本特性,可求出电荷放大器的

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