傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 知識(shí)點(diǎn)：7.3壓電傳感器的測(cè)量電路

傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目七壓電式傳感器壓電傳感器的測(cè)量電路講授內(nèi)容1.電壓式放大器壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。1.電壓式放大器電壓放大器又稱(chēng)阻抗變換器。它的主要作用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。1.電壓式放大器壓電輸出特性（即放大器輸入特性）將mm’左部等效化簡(jiǎn)成為圖（b）所示。由圖可得回路輸出式中——測(cè)量回路等效電阻；

——測(cè)量回路等效電容；

ω——壓電轉(zhuǎn)換角頻率。1.電壓式放大器假設(shè)壓電器件取壓電常數(shù)為d33的壓電陶瓷，并在其極化方向上受有角頻率為ω的交變力F＝Fmsinωt，則壓電器件的輸出代入式可得壓電回路輸出特性和電壓靈敏度分別為1.電壓式放大器其幅值和相位分別為1.電壓式放大器動(dòng)態(tài)特性

這里著重討論動(dòng)態(tài)條件下壓電回路實(shí)際輸出電壓靈敏度相對(duì)理想情況下的偏離程度，即幅頻特性。所謂理想情況是指回路等效電阻（即），電荷無(wú)泄漏。這樣可得理想情況的電壓靈敏度。

它只與回路等效電容C有關(guān)，與被測(cè)量的變化頻率無(wú)關(guān)。因此，比較得相對(duì)電壓靈敏度如下公式：1.電壓式放大器

ω1——測(cè)量回路角頻率——即測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)。上式中1.電壓式放大器壓電器件與測(cè)量電路相聯(lián)的動(dòng)態(tài)特性曲線（1）高頻特性當(dāng)ωτ>>1，即測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定，而被測(cè)量頻率愈高（實(shí)際只要ωτ≥3），則回路的輸出電壓靈敏度就愈接近理想情況。這表明，壓電器件的高頻響應(yīng)特性好。（2）低頻特性當(dāng)ωτ<<1，即τ—定，而被測(cè)量的頻率愈低時(shí)，電壓靈敏度愈偏離理想情況，同時(shí)相位角的誤差也愈大。2.電荷式放大器

壓電式傳感器另一種專(zhuān)用的前置放大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)1010～1012Ω，輸出阻抗小于100Ω。

使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。2.電荷式放大器壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路K是放大器的開(kāi)環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開(kāi)環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。2.電荷式放大器充電電壓接近等于放大器的輸出電壓

幾點(diǎn)結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無(wú)關(guān)系，2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容Cf小，輸出就大，4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)條件：（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）3.壓電式傳感器精度的影響因素壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)非線性所致。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱(chēng)預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。3.壓電式傳感器精度的影響因素影響壓電式傳感器精度的因素很多，主要有以下幾大類(lèi)：1.環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的變化將會(huì)使壓電材料的壓電常數(shù)，介電常數(shù)，體電阻和彈性模數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化。在高溫環(huán)境進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量時(shí)，瞬變溫度引起的熱電輸出可能會(huì)淹沒(méi)有用信號(hào)，為此，應(yīng)設(shè)法補(bǔ)償溫度引起的誤差。一般可采用以下幾種方法進(jìn)行補(bǔ)償。（1）采用剪切型結(jié)構(gòu)（2）采用隔熱片（3）采用溫度補(bǔ)償片（4）采用冷卻措施

3.壓電式傳感器精度的影響因素2.環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長(zhǎng)期在高濕度環(huán)境中工作，傳感器的絕緣電阻將會(huì)減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。為此，傳感器的有關(guān)部分一定要良好的絕緣，選用絕緣性能好的絕緣材料，并采取防潮密封措施。3．橫向靈敏度實(shí)際的壓電式加速度傳感器在橫向加速度的作用下都會(huì)有一定的輸出，通常將這一輸出信號(hào)與橫向加速度之比稱(chēng)為傳感器的橫向靈敏度。一般用橫向靈敏度與主軸向靈敏度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，稱(chēng)為橫向靈敏度比。對(duì)于一只較好的傳感器來(lái)說(shuō)，最大橫向靈敏度比應(yīng)小于5%。3.壓電式傳感器精度的影響因素4.基座應(yīng)變的影響在振動(dòng)測(cè)試中，被測(cè)構(gòu)件由于機(jī)械負(fù)載或不均勻的加熱使傳感器的安裝部位產(chǎn)生彎曲或延伸應(yīng)變時(shí)，將引起傳感器的基座應(yīng)變。該應(yīng)變直接傳遞到壓電原件上，從而產(chǎn)生誤差信號(hào)輸出。5.聲噪聲剛強(qiáng)度