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1、5.3 5.3 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路5.3.1 压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式 在实际应用中，由于单片的输出电荷在实际应用中，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，即片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间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、时间常数也器的电容
2、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大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。荷量输出信号。(a a a a)并联并联并联并联+串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集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测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。号。(b b b b)串联串联串联串联+在在上上述述两两种种接接法法中中，并并联联接接法法输输出出电电荷荷大大，本本身身电电容容大大，时时
3、间间常常数数大大，适适宜宜用用在在测测量量慢慢变变信信号号并并且且以以电电荷荷作作为为输输出出量量的的场场合合。而而串串联联接接法法输输出出电电压压大大，本本身身电电容容小小，适适宜宜用用于于以以电电压压作作输输出出信信号号，并并且且测测量量电电路输入阻抗很高的场合。路输入阻抗很高的场合。5.3.2 5.3.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路当当压压电电晶晶体体承承受受应应力力作作用用时时，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。故故可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个电电荷荷源源与与一一个个电容并联的电荷发生器。电容并联的电
4、荷发生器。(a a)q qC Ca a其电容量为：其电容量为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出确定的电压，其大小为确定的电压，其大小为 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图(b)。U Ua aC Ca a(b b)图图5-14 5-14 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 实际运用时，压电传感器通过导线与测量仪实际运用时，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器相连接，连接导线的等效电容CC、
5、前置、前置放大器的输入电阻放大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的对电路的影响就必需一起考虑进去。当考虑了压电元影响就必需一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（）和电荷等效电路（b）。这两种等效电）。这两种等效电路是完全等效的。路是完全等效的。图图5-15 5-15 压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 （a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 值得留意的是：值得留意的是：利用压电式传感器测量静态或准静
6、态量值利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必需实行确定的措施，使电荷从压电时，必需实行确定的措施，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，电荷可以得到不度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供应测量电路确定的电流，断补充，可以供应测量电路确定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。故压电传感器适宜作动态测量。5.3.3 5.3.3 压电式传感器的测量电路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，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通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗
7、的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方的前置放大器中，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。指示仪表或记录器中。(其中，测量电路其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）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。出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻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反馈的电压放大器，其
8、输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；另一种是用带电成正比；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电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变更的影响不大，几乎可以忽视不计，故度变更的影响不大，几乎可以忽视不计，故而电荷放大器应用日益广泛。而电荷放大器应用日益广泛。图图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路（a a）放大器电路放大器电路;（b b）等效电路等效电路1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）在在图图5-16（b）中中，电电阻阻R=Ra
9、Ri/(Ra+Ri),电电容容C=Cc+Ci，而而ua=q/Ca，若若压压电电元元件件受受正弦力正弦力f=Fm sint的作用，则其电压为的作用，则其电压为 （5-20）式中：式中：U Umm压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U Umm=dFdFmm/C Ca a；d d压电系数。压电系数。由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui，其复数，其复数形式为形式为(5-21)Ui的幅值的幅值Uim为为.输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 (5-22)(5-23)在在志志向向状状况况下下，传传感感器器的的RaRa电电阻阻值值与与前前置置放放大大 器器 输输
10、入入 电电 阻阻 RiRi都都 为为 无无 限限 大大，即即(Ca+Cc+Ci)R1(Ca+Cc+Ci)R1，那那么么由由式式（5-225-22）可可知知，志向状况下输入电压幅值志向状况下输入电压幅值UimUim为为 上上式式表表明明前前置置放放大大器器输输入入电电压压U Uimim与与频频率率无无关关，一一般般在在/0 033时时，就就可可以以认认为为U Uimim与与 无无关关，0 0表示测量电路时间常数之倒数，即表示测量电路时间常数之倒数，即 (5-24)这这表表明明压压电电传传感感器器有有很很好好的的高高频频响响应应，但但是是，当当作作用用于于压压电电元元件件的的力力为为静静态态力力（
11、=0=0）时时，前前置置放放大大器器的的输输出出电电压压等等于于零零，因因为为电电荷荷会会通通过过放放大大器器输输入入电电阻阻和和传传感感器器本本身身漏漏电电阻阻漏漏掉掉，所所以以压压电电传传感感器器不不能用于静态力的测量。能用于静态力的测量。当当(Ca+Cc+Ci)R1(Ca+Cc+Ci)R1 时时，放放大大器器输输入入电电压压UimUim如如式式（6-106-10）所所示示，式式中中CcCc为为连连接接电电缆缆电电容容，当当电电缆缆长长度度变变更更时时，CcCc也也将将变变更更，因因而而UimUim也也随随之之变变更更。因因此此，压压电电传传感感器器与与前前置置放放大大器器之之间间连连接接
12、电电缆缆不不能随意更换，能随意更换，否则将引入测量误差。否则将引入测量误差。图图5-17 5-17 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路2.电荷放大器电荷放大器 电电荷荷放放大大器器常常作作为为压压电电传传感感器器的的输输入入电电路路，由由一一个个反反馈馈电电容容C CF F和和高高增增益益运运算算放放大大器器构构成成。由由于于运运算算放放大大器器输输入入阻阻抗抗极极高高，放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，故故可可略略去去R Ra a和和R Ri i并联电阻。并联电阻。式中式中 ：U Uo o放大器输出电压；放大器输出电压；U Ucfcf反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。由运
13、算放大器基本特性，由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输可求出电荷放大器的输出电压出电压 通通 常常 A=104108A=104108，因因 此此,当当 满满 足足(1+A)CfCa+Cc+Ci(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为：时，上式可表示为：（5-30）（5-29）由由上上式式知知，电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压UoUo只只取取决决于于输输入入电电荷荷与与反反馈馈电电容容CFCF，与与电电缆缆电电容容CcCc无无关关，且且与与q q成成正正比比，因因此此，接接受受电电荷荷放放大大器器时时，即即使使连连接接电电缆缆长长度度在在百百米米以以上上，其其灵灵敏敏度度也也
14、无无明明显显变变更更，这这是是电电荷荷放放大大器器的的最最大大特特点点。在在实实际际电电路路中中，CFCF的的 容容 量量 做做 成成 可可 选选 择择 的的，范范 围围 一一 般般 为为100104pF100104pF。压压电电式式传传感感器器在在测测量量低低压压力力时时线线性性度度不不好好，主主要要是是传传感感器器受受力力系系统统中中力力传传递递系系数数非非线线性性所所致致。为为此此，在在力力传传递递系系统统中中加加入入预预加加力力，称称预预载载。这这除除了了消消退退低低压压力力运运用用中中的的非非线线性性外外，还还可可以以消消退退传传感感器器内内外外接接触触表表面面的的间间隙隙，提提高高
15、刚刚度度。特特殊殊是是，它它只只有有在在加加预预载载后后才才能能用用压压电电传传感感器器测测量量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 如如图图是是压压电电式式单单向向测测力力传传感感器器的的结结构构图图，主主要要由由石石英英晶晶片片、绝绝缘缘套套、电电极极、上上盖盖及及基座等组成。基座等组成。图6-11 压力式单向测力传感器结构图 5.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 传传感感器器上上盖盖为为传传力力元元件件，它它的的外外缘缘壁壁厚厚为为0.10.5mm0.10.5mm，外外力力作作用用使使它它产产生生弹弹性性变变
16、形形，将将力力传传递递到到石石英英晶晶片片上上。石石英英晶晶片片接接受受xyxy切切型型，利利用用其其纵纵向向压压电电效效应应，通过通过d11d11实现力实现力电转换。电转换。下下图图是是一一种种压压电电式式加加速速度度传传感感器器的的结结构构图图。它它主主要要由由压压电电元元件件、质质量量块块、预预压压弹弹簧簧、基基座座及及外外壳壳等等组组成成。整整个个部部件件装装在在外外壳壳内内，并由螺栓加以固定。并由螺栓加以固定。图6-12 压电式加速度传感器结构图 例例5-1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 当当加加速速度度传传感感器器和和被被测测物物一一起起受受到到冲冲击击振振动动时时，压压电
17、电元元件件受受质质量量块块惯惯性性力力的的作作用用，依依据据牛牛顿顿其其次次定定律律，此此惯惯性性力力是是加加速速度的函数，度的函数，即即 F=maq=d11F=d11ma 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力；m质量块的质量；质量块的质量；a加速度。加速度。F=ma（6-14）q=d11F=d11ma 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。器输出的电荷便可知加速度的大小。此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而作用于压电元件上，因而产生电荷产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数，则传
18、感器输出电荷为则传感器输出电荷为例例5-2 压电式压力传感器压电式压力传感器图图5-19 5-19 压电式测压传感器压电式测压传感器引线引线引线引线壳体壳体壳体壳体基座基座基座基座压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片受压膜片受压膜片受压膜片受压膜片导电片导电片导电片导电片p p当膜片受到压力当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面作用后，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上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为为即：压电式压力传感器的输出电荷即：压电式压力传感器的输出电荷q与输与输入压强入压强P成正比。成正比。例例5-3 压电式声传感器压电式声传感器压电陶瓷换能器结构图压电陶瓷换
19、能器结构图铝头铝头铝头铝头螺钉螺钉螺钉螺钉黄铜尾部黄铜尾部黄铜尾部黄铜尾部压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环当交变信号加在当交变信号加在压电陶瓷片两端压电陶瓷片两端面时，由于压电面时，由于压电陶瓷的逆压电效陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在应，陶瓷片会在电极方向产生周电极方向产生周期性的伸长和缩期性的伸长和缩短短。当确定频率的声频信号加在换能器上时，当确定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声压电陶瓷上将出现充、
20、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。感器就是声频信号接收器。假如换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声假如换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其放射或接收的声频信号即为波范围，则其放射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。器。例例5-4 压电式流量计压电式流量计图图5-21 压电式流量计压电式流量计流量显示流量显示流量显示流量显示输出信号输出信号输出信号输出信号换能器换能器换能器换能器换能器换能器换能器换能器接收接收接收接收接收接收接收接收发射发射发射发射发射发
21、射发射发射压电超声换能器压电超声换能器每隔一段时间每隔一段时间(如如1/100s)放射和接放射和接收互换一次。在收互换一次。在顺流和逆流的状顺流和逆流的状况下，放射和接况下，放射和接收的相位差与流收的相位差与流速成正比。速成正比。例例5-5 压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用A AB BOO点点点点L LA AL LB B地地地地 面面面面L L假如地面下一匀整的自来水直管道某处假如地面下一匀整的自来水直管道某处O发生漏发生漏水，水漏引起的振动从水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在点向管道两端传播，在管道上管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传两点放两只压电传感器
22、，由从两个传感器接收到的由感器接收到的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信时刻发出的振动信号所用时间差可计算出号所用时间差可计算出LA或或LB。两者时间差为两者时间差为t=tA-tB=（LA-LB）/v又又L=LA+LB，所以，所以 例例5-6 压电声传感器在超声速测量试验中的压电声传感器在超声速测量试验中的应用应用图图5-24 5-24 超声速测量试验装置超声速测量试验装置信号发生器信号发生器信号发生器信号发生器S S1 1示波器示波器示波器示波器频率计频率计频率计频率计S S2 2l l游标卡尺游标卡尺游标卡尺游标卡尺当信号发生器产生的正弦沟通信号加在压电陶瓷当信号发生器产生的正弦沟通信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产朝气械振动，在空片两端面时，压电陶瓷片将产朝气械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发是声频信号发生器。生器。当当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信是声频信号接收器号接收器。作作 业业P96习题：习题：3、4、5、6、9、10共共6题题