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1、第六节第六节 压电式传感器压电式传感器能量转换型传感器能量转换型传感器一压电效应：一压电效应：正向压电效应：机正向压电效应：机 电电逆向压电效应：电逆向压电效应：电 机机可逆过程可逆过程二压电材料：二压电材料：单晶单晶石英晶体石英晶体铌酸锂，钽酸锂铌酸锂，钽酸锂多晶多晶-压电陶瓷（钛酸钡，锆钛酸铅压电陶瓷（钛酸钡，锆钛酸铅PZT）新型材料新型材料石英晶体石英晶体xzy光轴光轴机械轴机械轴电轴电轴石英晶体并不是在任何方石英晶体并不是在任何方 向都存在压电效应。向都存在压电效应。压电效应模型：压电效应模型：纵向效应纵向效应：横向效应横向效应：切向效应切向效应：特点：特点：温度稳定好；机械强度高；温
2、度稳定好；机械强度高；可用来测量大量程的力和加速度。可用来测量大量程的力和加速度。压电陶瓷压电陶瓷多晶铁电体多晶铁电体极化极化特点：特点：制造工艺成熟；灵敏度好；成本低。制造工艺成熟；灵敏度好；成本低。三压电式传感器及其等效电路：三压电式传感器及其等效电路：等效电路等效电路：具有一定电容的电荷源具有一定电容的电荷源等效电容：等效电容：开路电压开路电压：等效电路等效电路：等效电路等效电路 wA(w)一阶高通环节一阶高通环节当当 时时，可见压可见压 电元件具有优良的高电元件具有优良的高频特性，低频特性不好。为频特性，低频特性不好。为了改善其低频特性（降低下了改善其低频特性（降低下限截止频率），需有
3、较大的限截止频率），需有较大的R0或或C。而。而R0Ri，即压电即压电元件需后接高输入阻抗的运元件需后接高输入阻抗的运算放大器算放大器。能实现不失真传输。能实现不失真传输。压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式C=2C u=u q=2q时间常数大，动态响应差，适合于慢变时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量。以电荷量输出的场合。信号的测量。以电荷量输出的场合。C=C/2 u=2u q=q时间常数小，动态响应好，适合于快变时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量。以电压作为输出的场合。信号的测量。以电压作为输出的场合。并联：并联：串联：串联：四测量电路四测量电路 压电传感器对测量电路
4、的要求：压电传感器对测量电路的要求：压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用前置放大器的作用：阻抗变换（高输入阻抗阻抗变换（高输入阻抗 低输出阻抗）低输出阻抗）放大微弱信号放大微弱信号前置放大器的形式：前置放大器的形式：电压放大器电压放大器：电荷放大器：电荷放大器：电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。带
5、电容负反馈的高增益运放；输出电压与带电容负反馈的高增益运放；输出电压与输入电荷成正比。输入电荷成正比。电压放大器电压放大器问题：问题：输出电压与电缆电容有关。如果电缆电容变化，输出电压与电缆电容有关。如果电缆电容变化，灵敏度也随之变化。灵敏度也随之变化。电荷放大器：电荷放大器：（高频等效电路）（高频等效电路）由电荷平衡建立方程式：由电荷平衡建立方程式：输出电压与传感器的电荷量近似正比，输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反馈电容有关，不受电缆电容的影响。且只与反馈电容有关，不受电缆电容的影响。五压电式传感器的应用五压电式传感器的应用：1、测力；、测力；2、测压力；、测压力；3、测加速度。、
6、测加速度。六应用举例六应用举例：压电加速度传感器：压电加速度传感器：结构原理结构原理：动态响应：动态响应：设被测振动位移设被测振动位移x0，质量块振动位移质量块振动位移xm；质量块相对于被测振动体的位移质量块相对于被测振动体的位移xi=xmx0。wq/a00wq/a00压电加速度计的压电加速度计的实际幅频特性实际幅频特性加速度计的加速度计的上限频率上限频率取决于幅频曲线的共振频率（与连接方式有取决于幅频曲线的共振频率（与连接方式有关）；关）；下限频率下限频率受前置放大器的限制（要求高输入阻抗）。受前置放大器的限制（要求高输入阻抗）。灵敏度灵敏度：纵向灵敏度：纵向灵敏度：横向灵敏度：横向灵敏度：电压灵敏度：（电压灵敏度：（mv/g）；）；电荷灵敏度：（电荷灵敏度：（pc/g）；）；