第六章_压电式传感器(二).
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+ － － + － (a)并联
+
q 2q；U U；C 2C
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。
1 q q；U 2U；C C 2
+ + － － (b)串联
6.3 压电式传感器的测量电路
6.3.1 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。
6.3.3 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。
＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － (a ) (b ) ＋ ＋ ＋ ＋
图6-5 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结
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。
地 面
L LA A LB
O点
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
压电式传感器在测量低压力时线性度不 好，这主要是传感器受力系统中力传递系数 为非线性所致，即低压力下力的传递损失较 大。 为此， 在力传递系统中加入预加力， 称预载。这除了消除低压力使用中的非线性 外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载后才 能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及 剪力和扭矩。
例6-1 压电式加速度传感器
它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、 并由螺栓加以固定。
外壳 预压弹簧
下图是一种压电式加速度传感器的结构图。
基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，
压电元件
质量块
图6-12 压电式加速度传感器结构图 基座
当加速度传感器和被测物一起受到冲 击振动时，压电元件受质量块惯性力的作 用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速 度的函数， 即
பைடு நூலகம்
由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输
Aq uo （6-12） Ca Cc Ci (1 A)C f
通 常 A=104~108 ， 因 此 , 当 满 足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，式（6-12）可表 示为
q uo Cf
（6-13）
由式（ 6-13 ）可见，电荷放大器的输 出电压uo 只取决于输入电荷与反馈电容 Cf ， 与电缆电容 Cc 无关，且与 q 成正比，因此， 采用电荷放大器时，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 电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的 测量精度，要求反馈电容 Cf 的温度和时间 稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不 同的量程等因素， Cf 的容量做成可选择的， 范围一般为100~104pF。
例6-2 压电式压力传感器
引线 壳体 基座 导电片 受压膜片 p 压电晶片
图6-15 压电式测压传感器
当膜片受到压力F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 q为
q d11F d11SP
即：压电式压力传感器的输出电荷q与输 入压强P成正比。
例6-3 压电式传感器在测漏中的应用 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发 生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端 传播，在管道上A、B两点放两只压电传感 器，由从两个传感器接收到的由O点传来的 t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出 LA或LB。
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
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua Ca 和一个电容器Ca的 串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
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 大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影 响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件 的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效 电路可表示成图6-13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。
F=ma
式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； q=d11F=d11ma a——加速度。
此时惯性力F作用于压电元件上，因而 产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为 F=ma
（6-14）
q d 33 F d 33 ma
与加速度a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。 q=d11F=d11ma
Ca
Ua
Ra
Cc
Ri
Ci
q
Ce
Ra
Cc
Ri
Ci
(a )
(b )
图6-13 压电传感器的实际等效电路 （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。
6.4 压电式传感器的应用
6.3 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， 主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及 基座等组成。
石英晶片
F
上盖
图6-11 压力式单向测力传感器结构图
绝缘套
电极
基座
传感器上盖为传力元件，它的外缘 壁厚为 0.1~0.5mm ，当外力作用时，它 将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。 石英晶片采用 xy 切型， 利用其纵向压电 效应， 通过d11实现力—电转换。石英晶 片的尺寸为φ8×1mm 。该传感器的测力 范围为 0~50N ，最小分辨率为 0.01 N ， 固有频率为 50~60 kHz ，整个传感器重 为10 g。
6.3.2 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，其电容量为：
S r 0 S Ca
Ca q ( a)
Ca
ua
q
Ca
(a )
(b )
图6-12 压电元件的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源
1. 电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图6-14 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， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra 和Ri并联电阻。
q uo ud Cf
式中 ： uo——放大器输出电压； ucf——反馈电容两端电压。
+
q 2q；U U；C 2C
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。
1 q q；U 2U；C C 2
+ + － － (b)串联
6.3 压电式传感器的测量电路
6.3.1 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。
6.3.3 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。
＋ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － (a ) (b ) ＋ ＋ ＋ ＋
图6-5 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结
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。
地 面
L LA A LB
O点
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
压电式传感器在测量低压力时线性度不 好，这主要是传感器受力系统中力传递系数 为非线性所致，即低压力下力的传递损失较 大。 为此， 在力传递系统中加入预加力， 称预载。这除了消除低压力使用中的非线性 外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载后才 能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及 剪力和扭矩。
例6-1 压电式加速度传感器
它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、 并由螺栓加以固定。
外壳 预压弹簧
下图是一种压电式加速度传感器的结构图。
基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，
压电元件
质量块
图6-12 压电式加速度传感器结构图 基座
当加速度传感器和被测物一起受到冲 击振动时，压电元件受质量块惯性力的作 用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速 度的函数， 即
பைடு நூலகம்
由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输
Aq uo （6-12） Ca Cc Ci (1 A)C f
通 常 A=104~108 ， 因 此 , 当 满 足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，式（6-12）可表 示为
q uo Cf
（6-13）
由式（ 6-13 ）可见，电荷放大器的输 出电压uo 只取决于输入电荷与反馈电容 Cf ， 与电缆电容 Cc 无关，且与 q 成正比，因此， 采用电荷放大器时，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 电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的 测量精度，要求反馈电容 Cf 的温度和时间 稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不 同的量程等因素， Cf 的容量做成可选择的， 范围一般为100~104pF。
例6-2 压电式压力传感器
引线 壳体 基座 导电片 受压膜片 p 压电晶片
图6-15 压电式测压传感器
当膜片受到压力F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 q为
q d11F d11SP
即：压电式压力传感器的输出电荷q与输 入压强P成正比。
例6-3 压电式传感器在测漏中的应用 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发 生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端 传播，在管道上A、B两点放两只压电传感 器，由从两个传感器接收到的由O点传来的 t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出 LA或LB。
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
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua Ca 和一个电容器Ca的 串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
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 大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影 响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件 的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效 电路可表示成图6-13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。
F=ma
式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； q=d11F=d11ma a——加速度。
此时惯性力F作用于压电元件上，因而 产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为 F=ma
（6-14）
q d 33 F d 33 ma
与加速度a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。 q=d11F=d11ma
Ca
Ua
Ra
Cc
Ri
Ci
q
Ce
Ra
Cc
Ri
Ci
(a )
(b )
图6-13 压电传感器的实际等效电路 （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。
6.4 压电式传感器的应用
6.3 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， 主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及 基座等组成。
石英晶片
F
上盖
图6-11 压力式单向测力传感器结构图
绝缘套
电极
基座
传感器上盖为传力元件，它的外缘 壁厚为 0.1~0.5mm ，当外力作用时，它 将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。 石英晶片采用 xy 切型， 利用其纵向压电 效应， 通过d11实现力—电转换。石英晶 片的尺寸为φ8×1mm 。该传感器的测力 范围为 0~50N ，最小分辨率为 0.01 N ， 固有频率为 50~60 kHz ，整个传感器重 为10 g。
6.3.2 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，其电容量为：
S r 0 S Ca
Ca q ( a)
Ca
ua
q
Ca
(a )
(b )
图6-12 压电元件的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源
1. 电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图6-14 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， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra 和Ri并联电阻。
q uo ud Cf
式中 ： uo——放大器输出电压； ucf——反馈电容两端电压。