傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 知識(shí)點(diǎn)：7.2壓電元件的連接與等效電路

傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目七壓電式傳感器壓電元件的連接與等效電路1.壓電晶片的連接方式在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，為了提高壓電元件的靈敏度，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，而是采用兩片或多片組合結(jié)構(gòu)。常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。由于壓電元件是有極性的，粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。1.壓電晶片的連接方式習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)：“愛(ài)國(guó)主義是我們民族精神的核心，是中華民族團(tuán)結(jié)奮斗、自強(qiáng)不息的精神紐帶。”他還指出：“在新的時(shí)代條件下，弘揚(yáng)愛(ài)國(guó)主義精神，必須把維護(hù)祖國(guó)統(tǒng)一和民族團(tuán)結(jié)作為重要著力點(diǎn)和落腳點(diǎn)。以鑄牢中華民族共同體意識(shí)為主線，推動(dòng)新時(shí)代黨的民族工作高質(zhì)量發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)統(tǒng)一的多民族國(guó)家，民族團(tuán)結(jié)就是各族人民的生命線。中華民族大家庭，56個(gè)民族休戚與共、榮辱與共、生死與共、命運(yùn)與共，共同構(gòu)成了你中有我、我中有你、誰(shuí)也離不開(kāi)誰(shuí)的中華民族命運(yùn)共同體。”2.壓電元件的并聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。2.壓電元件的并聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，而中間極板的上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。(b)串聯(lián)+－－+在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。

2.壓電元件的并聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)3.壓電元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。其電容量為：(a)qCa3.壓電元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)。3.壓電元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)由等效電路可知，只有在外電路負(fù)載為無(wú)窮大，且內(nèi)部無(wú)漏電時(shí)，電壓源才能保持長(zhǎng)期不變，如果負(fù)載不是無(wú)窮大，則電路就會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，壓電傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，從這個(gè)意義上講，壓電傳感器不適宜靜態(tài)測(cè)量。3.壓電元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖5-6所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。

（a）電壓源

（b）電荷源3.壓電元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)值得注意的是：利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。由等效電路可知，壓電式傳感器的泄漏電阻與前置放大器的輸入電阻相并聯(lián)，為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻（或準(zhǔn)靜態(tài)）響應(yīng)，就要求壓電傳感器的泄漏電阻在1012W以上，才能使內(nèi)部電荷的泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求；與此相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。3.壓電元件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)既然壓電傳感器可以等效為電壓源或電荷源，那么，壓電傳感器的靈敏度也有兩種表示方式。一種用單位外力作用下產(chǎn)生的電壓表示，稱為電壓靈敏度，用Su表示