压电传感器测量电路

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压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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3、高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯
（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚
氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可 根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，
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（一）压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金 刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片 受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷， 电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为 压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效 应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压， 它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电 介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效 应（电致伸缩效应）。
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d ui F Ci C c C a
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（2）电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的 前置放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的 等效电路。图中 C 为放大器的反馈电容，其余符号的 意义与电压放大器相同。
Rf Cf
N Q Ca Ra Cc Ri Ci
一、压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它 以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用 下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量 电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量 最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态 力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静 态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响 高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件， 因此结构坚固、可靠性、稳定性高。
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如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器 的电荷量为：Qi=Q-Qf
Q f (U i U 0 )C f ( U0 U U 0 )C f (1 A) 0 C f A A
U0 Qi U i (Ci Cc C a ) (Ci Cc C a ) A
Ca
0 A
h
式中，ε 0为真空介电常数：ε 为压电材料的相对介电 常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。
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因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并
联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为—个电压
源，如下图b所示。 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆
电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感
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高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）
压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提 高输出电压，并联可提高输出电荷。
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二、测量电路 1、传感器等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将 要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当
于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为
具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或
较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量 动态范围可达80dB。
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高分子压电薄膜及拉制
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出 电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态 力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
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二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料有许多： 主要有压 电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料，另外还有水溶 性和铌酸锂压电晶体及压电半导体。 1、石英晶体
式中，A为开环放大系数。所以有
U0 U0 U0 (Ci Cc C a ) Q [(1 A) C f ] Q (1 A) Cf A A A
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故放大器的输出电压为
AQ U0 Ci Cc Ca Leabharlann Baidu (1 A)C f
当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示 为
出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
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（1）电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图 a 所示。 图 b 是简化后的等效电路，其中， ui 为放大器输入电压；
R R R； ua=aQ/iCa。 Ra Ri
C=CC +Ci ；
如果压电传感器受力为 :F=Fmsinω t ；则在压电元件上 产生的电压为 ui dFm sin t Ca
Ca + Cc Ri Ci R2 Ca R1
ui ua
R C
ua
Ra
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a)
b)
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而在放大器输入端形成的电压为
1 R j C 1 R j C 1 R 1 j C 1 jC a R j C
ui
jR ua dF 1 jR (C C a )
当＜＜1时，放大器的输入电压为
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电路 中工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从而 产生稳定的振荡输出频率。
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2、压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比 石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较 低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都 采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅 系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如 BaTiO3等）。
器的泄漏电阻Ra。
Ca
Q
Ca
ua=Q/Ca
ua=Q/Ca
b)电压源
u0
a)电荷源
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2、基本测量电路 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，
因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测
量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能 防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器
的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输