《传感原理与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第5章 压电式传感器 §5.4 压电式传感器的信号调理电路 §5.5 压电式传感器的应用

85.4压电式传感器的信号调理电路5.4.1压电式传感器的等效电路压电传感器受外力作用时，两个电极表面将聚集申荷，且电荷量相等，极性相反。这时相当于一个以压材料为电介质的电容器，其电容量为1FX+ ++++CCrSC。 =h式中，ε为真空介电常数,8.85X10-12F/m:8r为压电材料的相对介电常数h为压电元件的厚度：S为压申元件极板面积24

24 § 5 .4 压电式传感器的信号调理电路 5.4.1 压电式传感器的等效电路 压电传感器受外力作用时，两个电极表面将聚集电 荷，且电荷量相等，极性相反。这时相当于一个以压电 材料为电介质的电容器，其电容量为 式中，ε0为真空介电常数,8.85X10-12F/m： ε r为压电材料的相对介电常数； h为压电元件的厚度； S为压电元件极板面积。 h s C r a  0 =

因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源，如图所示。4uou =Q/Cau =O/CaCaa)电荷源b)电压源25

25 因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相 并联的电荷源，也可以等效为—个电压源，如图所 示。 Q Ca u =Q/Ca u0 Ca u =Q/Ca a)电荷源 b)电压源

压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑申缆电容Cc，放大器的输入电阻R和输入电容C.以及传感器的泄漏电阻R。R压电传感器实际的等效电路26

26 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电 缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传 感器的泄漏电阻Ra。 Q C a R a C c R i C i Q C a R a C c R i C i 压电传感器实际的等效电路

压电传感器的灵敏度二种表示法电压灵敏度：K,=U,/F(单位力所产生的电压)电荷灵敏度：K。=Q/F(单位力所产生的电压)其中: Ku= Kg/C,27

27 压电传感器的灵敏度二种表示法: 电压灵敏度: Ku = Ua /F (单位力所产生的电压) 电荷灵敏度: Kq =Q/F (单位力所产生的电压) 其中: Ku = Kq /Ca

5.4.2压电式传感器的信号调理电路压电传感器的特点：内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。28

28 5.4.2 压电式传感器的信号调理电路 压电传感器的特点:内阻抗很高，而输出的信号 微弱，因此一般不能直接显示和记录。 压电传感器要求测量电路的前级输入端要 有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏 而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器 有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换 为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行 放大

1电压放大器接电压放大器的等效电路和简化后的等效电路C-Cc+Ci,R=R,R;/ (R,+R;)ua=Q/ C.。0uR90QRaRiCiCc二RR29

29 Q Ca Ra Cc Ri Ci R1 R2 + - Q Ca R C u i 1 电压放大器 接电压放大器的等效电路和简化后的等效电路 C=CC +Ci , R=RaRi/(Ra+Ri) ua =Q/Ca

如果压电传感器受力为F-Fsin ot则在压电元件上产生的电压为dsFmUua = Q/Casin ot =sin ot二mC而在放大器输入端形成的电压为（复数形式1Rjoc1R+jocjoRd33FUa一11+ joR(C+Ca)R1joc1joCaR+30joc

30 如果压电传感器受力为 F=Fm sinωt 则在压电元件上产生的电压为 而在放大器输入端形成的电压为(复数形式) t U t C d F u m a m a Q/Ca sin  sin  3 3 = = = d F j R C C j R u j C R j C R j C j C R j C R U a a a i 3 3 1 ( ) 1 1 1 1 1 + + = + + + = •       

joRUi = -d33 F1+ joR(C +C.)其中幅值d3, F, oRUim =/1+(oR)(C +C.)截止频率(-3db)：当 1<<R(C+C) 时1fLd3,Fm2元R(C.+C. +C,)U.mC, +Cc+C可见放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，C.将改变，从而引起放大器的输出电压也发生变化。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必31须重新校正电压灵敏度值

31 i c a m m C C C d F U + +  33 可见放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连 接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而 引起放大器的输出电压也发生变化。在设计时，通常把 电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必 须重新校正电压灵敏度值。 1 ( ) 当 R C +Ca 时 • • + + = d F j R C C j R U a i 3 3 1  ( )  其中幅值: 2 2 3 3 1 ( ) ( ) a m im R C C d F R U + + =   截止频率(-3db): 2 ( ) 1 a c i L R C C C f + + = 

电源@H0输入超小型阻BG.石英压电片O抗变换器BG电缆插座惯性质量输出引线RR绝缘垫圈绝缘螺栓L图5-17内置超小型阻抗变换器的阻抗变换器电路图图5-16一体化压电式加速度传感器32

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2 电荷放大器CHH0a-A0U.U ~ ue, =-Q/Cf33

33 2 电荷放大器 U uc Q Cf f / 0  = −