2.4.3压电式传感器的测量电路（课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

2.4.3压电式传感器的测量电路 压电式传感器的测量电路 一、等效电路 当压电式传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个 极面上出现极性相反但电量相等的电荷。显然可以把压电传感器看成一个静 电发生器，如图5-14（a）所示。显然，也可以把它视为两极板上聚集异性电 荷，中间为绝缘体的电容器，如图5-14（b）所示。其电容量为 (5-12) 式中 S——极板面积（m2） t——晶体厚度(m)； ε——压电晶体的介电常数(F/m)； εr —压电晶体的相对介电常数（石英晶体为 4.58 ）； ε0——真空介电常数（ε0 = 8.85×10-12 F/m）。 当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为 （5-13） 式中 q——板极上聚集的电荷电量（C）； Ca——两极板间等效电容（F）； Ua——两极板间电压（V）。 因此，压电传感器可以等效的看作一个电压源 Ua 和一个电容器 Ca 的串联电路，如图5-15（a）所示；也可以等效为一个电荷源 q 和一个电容器 Ca的并联电路。如图5-15（b）所示。 由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄露，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电晶体不适合于静态测量。 压电式传感器的测量电路 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。图5-16是压电传感器的完整电荷等效电路。 由等效电路看来，压电传感器的绝缘电阻 Ra 与前置放大器的输入电阻 Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频（或准静态）响应，就要求压电传感器的绝缘电阻应保持在 1013 Ω以上，才能使内部电荷泄露减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测量系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 二、测量电路 压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。 压电式传感器的测量电路 根据压电传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号。因此设计前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其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，其输出电压与输入电荷成正比。 ㈠电压放大器 压电式传感器连接电压放大器的等效电路如图5-17(a)所示。图5-17(b)为简化的等效电路图。 图5-17（b）中，等效电阻 R 为 等效电容为 C=Cc+Ci 而 压电式传感器的测量电路 压电元件所受作用力 F 为 F=Fmsinωt (5-14) 式中 Fm