压电式传感器的性能测试

2.电荷放大器 电荷放大器通常作为压电传感器的输出电路，它由一个反馈电容和高增益 运算放大器组成。当忽略和并联电阻的影响后，其等效电路如图18.2所示。 图中A为运算放大器增益，由于运算放大器输入阻抗极高，故放大器输入 端几乎没有分流，其输出电压U0为：
U 0 ≈ U cf = − q Cf
（18—6）
dFm Rω
1 + ω 2 R 2 (C i + C c + C a ) 2
（18—3）
输入电压与作用力的相位差为
Φ=
π
2
− arctg [R (C a + C c + C i )ω ] （18—4）
在理想状态下，传感器的Ra与前置放大器的Ri均为无穷大，即ωR(Ca+Cc+Ci) 远大于1，所以由式（18—3）可得理想状态时的输入电压幅值为 （18—5） dFm 上式说明前置放大器输入电压与频率无关。一般认为ω/ω0>3时，就可 Ci + Cc + C a
8
Rf 2 3 1 R3 W1 -Vcc 图18.4 电压放大器电路图 图18.5 同相放大电路图 +Vcc R4 W2 V0 Vi R1 Rp + Rf
R1 R2
A +5
7
4
6
V0
从图中可知：此运算放大器工作于同相放大状态。其基本电路如图18.5 所示：其闭环电压增益：Avf=1+Rf/R1 ；输入电阻Ri＝Ric；输出电阻： Ro≈0；平衡电阻：Rp＝R1//Rf；其中：Ric为运算放大器本身同相端对地的 共模输入电阻一般为1000MΩ左右；同相放大器具有输入阻抗非常高，输 出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 若Rf≈0，R1＝∞（开路），则为电压跟随器。与晶体管电压跟随器 （射极输出器）相比，集成运算放大器及电压跟随器的输入阻抗更高，几 乎不从信号源吸取电流；输出阻抗更小，可视作电压源，是较理想的阻抗 变换器。
压电式传感器的前置放大级起到以下二个方面的作用：一是把传感器的高 输出阻抗变换成低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式传感 器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。因此，前置放大器也有两种 形式：一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压（传感器的输出电压） 成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。下 面分别介绍电压放大器和电荷放大器的工作原理。 1.电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器的工作原理如图18.1中A和B所示，A图为电路原理，B图为等效 电路图。其中，电阻R=RaRi/（Ra+Ri），电容C=Ca+Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电 敏感元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其；输出电压ua可表示为
2
4.机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与 输入能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效 率的一个重要参数； 5.电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的 低频特性； 6.居里点：压电材料开始丧失压电特性时的温度称为居里点； 18.2.2 常用压电材料 目前常用的压电材料主要有石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅 (PZT)等很多种类。石英晶体材料的压电系数很稳定，但其灵敏度较低且介 电常数小，因此已渐渐地被其它压电材料代替；钛酸钡材料有较高的压电 系数且价格低廉，但只适用于700C以下的低温场合；锆钛酸铅系压电材料是 钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体。这种陶瓷的压电性能大约 是钛酸钡的两倍，特别是在—55~2000C的温度范围内无晶相转变，已成为压 电陶瓷研究的主要对象。它的缺点是烧结过程中氧化铅（PbO）的挥发问题， 难以获得致密的烧结体，以及压电性能依赖于钛和锆的组成比，难以保证 性能的均匀一致。 18.2.3 测量电路简介 压电式传感器本身具有很高的内阻抗，而输出的能量又非常微弱，因 此它的测量电路通常需要有一个高输入阻抗的前置放大级作为阻抗匹配， 方可接入到一般的放大、检波和显示等处理电路，或者再经功率放大器至 记录仪器。
表18.2 输出电压与激励频率
F（HZ） V（P-P）
10
18.6
注意事项
1.由于压电式传感器产生的电荷是很容易泄漏的，因此这个实训所得误差 较大，尤其是当天气较潮湿时更难做，所以最好选择天气较好时进行本实训； 2.周围的振动源（尤其是高频振动或高频信号）较易对压电式传感器产生 干扰，因此实训时要注意对整个测量系统的屏蔽，减少外界的干扰信号； 3.要注意调节电压放大器的工作状态，使其工作在最佳状态；
本实训所用的仪器设备包括压电式传感器一个，它是采用压电陶瓷 作为敏感元件、用质量块作为压力接受元件的压电式振动传感器、低通滤 波器模块、双线示波器、低频振荡器、液晶电压表、频率计及电压放大器 模块等。除电压放大器外都已经介绍过它们的结构和使用情况，电压放大 器是由集成运算放大器组成的高输入阻抗的放大器，用于变换压电式或磁 电式传感器的信号。工作原理如图18.4所示：ຫໍສະໝຸດ 18.3实训的具体内容
具体内容主要有两方面：一是对压电传感器的感性认识，仔细观察传感 器的外形结构，弄清其结构的各组成部分，了解其工作原理；二是对传感 器的性能测定，按实训原理电路图接好导线，调整好各电路模块，每加一 个低频振荡测出一个输出电压，通过计算给出传感器的电压灵敏度和线性 范围。
18.4 所用设备介绍
1
18.2 实训的基本原理
18.2.1压电式传感器的工作原理 压电式传感器的工作原理 压电式传感器的工作原理是建立在某些材料的压电效应的基础上的，它 利用具有压电效应的材料作为传感器的敏感元件，将被测量转换为电信号， 实现对非电量的检测。所谓压电效应[7]是指某些电介质材料，当沿着某些 特定方向对其施加作用力使其发生变形时，这种材料的内部就会产生极化 现象，在其相对的两个表面会形成正负电荷。一旦外力消失后又会重新恢 复到不带电状态，这种应变致电现象叫压电效应。当改变作用力的方向时， 电荷的极性也随之改变。我们把由机械能转换成电能的现象叫“正压电效 应”；反之，若在电介质的极化方向上施加一定的电场，它们就会产生变 形，我们称之为“逆压电效应”或叫“电致伸缩效应”。 自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱，不具备实 用价值。压电材料可能分成两大类：压电晶体和压电陶瓷。衡量压电材料 的性能参数主要有： 1.压电常数：它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到输出灵敏 度； 2.弹性常数：它与压电器件的固有频率和动态特性有关； 3.介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数 有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限；
ua = dFm sin ωt = U m sin ωt（18—1） Ca
式中：Um为压电传感器输出电压幅值，Um=dFm/ Ca；d是压电系数； 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
U i = dFm
Ui的幅值Uim为
U im =
jRω （18—2） 1 + jRω (C i + C c + C a )
18.5
操作步骤
1.仔细观察压电式传感器的结构，它主要是由压电陶瓷片（敏感元件） 及惯性质量块组成； 2.将压电式传感器的输出屏蔽线接到电压放大器的输入端，然后将电 压放大器的输出接到低通滤波器的输入端，再将滤波器的输出接到双线 示波器的一个输入端，示波器的另一个输入端接低通滤波器的输入端； 3.接通低频振荡器电源，频率调节在5～20HZ范围内； 4.适当调整低频振荡器的振荡幅度，在2V左右，不宜过大； 5.用示波器同时观察电压放大器与低通滤波器的输出波形； 6.改变振荡频率，观察输出波形的变化，并记录输出电压的峰峰值于 表18.2中，每改变一次频率，记录一个电压值，反复测量多次，取平均 值作为测量结果； 7.根据测量结果计算传感器的电压灵敏度KV=∆V/∆ f，并画出V-F曲 线后估算出传感器的线性范围；
18.7 思考题
1.为什么压电式传感器不能用于静态测量？只能用于动态测量中？而且是 频率越高越好？ 2.试分析实训中所用的传感器的工作原理； 3.说明在测试过程中若用手轻击实训台时所观察到的波形；
11
式中：U0为放大器输出电压；Ucf为反馈电容上的压降；由此可见，电荷 放大器的输出电压与电缆的分布电容无关、而与压电传感器产生的电荷成 正比。 18.2.4 本次实训的原理 本次实训所用的压电式传感器实际上是一个压电式加速度计，其压电 敏感元件与一质量块相连，当质量块振动产生的惯性力使压电材料产生变 形而输出电信号，实现对振动的测量。实训的基本原理是用实训台上的低 频振荡器驱动机械振动装置产生低频振动，施加到压电传感器上，传感器 输出的信号用电压放大器放大后再经低通滤波器滤波，最后由双线示波器 显示输出。原理框图如图18.3所示，其中1为低频振荡器，2是机械振波形。 原理框图如图18.3所示，其中1为低频振荡器，2是机械振动装置，3为压电 传感器；处理电路由电压放大器、低通滤波器组成；用双线示波器来显示 被测结果。
第18章 压电式传感器的性能测试 18章 18.1 实训的目的要求
18.1.1实训目的 实训目的 1.通过实训更好地掌握有关压电式传感器的结构原理，更好地理解相 关的理论知识，为更好地使用这种传感器打下坚实的基础； 2.通过实训彻底弄清压电式传感器的构造情况，了解其使用过程中常 见的故障，掌握排除的方法； 3.了解这种传感器在工程实际中的应用状况，弄清其性能特点和应用 范围； 18.1.2实训要求 实训要求 1.认真复习有关压电式传感器的工作原理、性能特点等理论知识； 2.预习该实训的相关内容，看懂实训教程所给的电路原理图，考虑好 接线和布线的方法，以利于更好地完成本次实训； 3.认真仔细地测量每一个数据，作好记录、及时完成实训报告；
U im =
以忽略频率的影响了。ω0为测量电路时间常数之倒数，即ω0=1/R （Ca+Cc+Ci），这表明压电传感器有很好的高频响应，但是当作用力为静态力 （ω=0）时，则前置放大器的输入电压为零，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， 所以压电式传感器不能用于 静态力（变形）的测量，只 能用于动态测量中。由于Uim 与Cc（电缆分布电容）有关， 故传感器与前置放大器之间 的连接电缆不能随意更换， 否则会引起测量不准确。