a電荷放大器電路qC

1、a電荷放大器電路qC一、壓電效應(yīng)二、壓電材料三、壓電式傳感器的測量電路四、壓電式傳感器的應(yīng)用2 壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為根底，在外力作用下,在電介質(zhì)外表產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)展測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、構(gòu)造簡單、工作可靠、重量輕等特點(diǎn)。概述3壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電警號(hào)壓電加速度計(jì)4 某些電介質(zhì)晶體 當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它外表會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不

2、帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變；一、壓電效應(yīng) 這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)5石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率一樣；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于外表漏電而很快泄漏、消失。6壓電元件機(jī)械能電能壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)。壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)78超聲波傳感器91、石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZYX石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)

3、中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時(shí)垂直的YY軸垂直于正六面體的棱面稱為機(jī)械軸。10(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+ 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部構(gòu)造決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“代表Si4+，“代表2O2-。 11晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3) Y=0(P1

4、+P2+P3 ) Z=0即在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向那么不出現(xiàn)電荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正、負(fù)離子即Si4+和2O2-正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30P1+P2+P3X1，那么，輸入電壓幅值Uim為 上式說明理想情況時(shí)前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與無關(guān)，0表示測量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 這說明在測量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，也就是測量電路輸出與被測信號(hào)

5、頻率無關(guān)。36 當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力=0時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。37當(dāng)被測動(dòng)態(tài)量變化緩慢，而測量回路時(shí)間常數(shù)不大時(shí)，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因此要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就必須進(jìn)步測量回路的時(shí)間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來進(jìn)步時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得因?yàn)镽1，故上式可以近似為可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時(shí)間常數(shù)越大，那么傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感

6、器與前置放大器的電纜長度時(shí)Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。38因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否那么將引入測量誤差。 39電荷放大器由一個(gè)反響電容C f和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。 2. 電荷放大器假設(shè)放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，那么放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反響電容CF。由圖可知i的表達(dá)式為：U0(a)電荷放大器電路qCaUiCcCi40根據(jù)該式畫出等效電路圖(b)反響電容CF等效到A0的輸入端時(shí)，電容CF將增大(1A0)倍。所以圖中C=(1 A0)CF；這就是所謂“密勒效應(yīng)的結(jié)果。(a)電荷放大器電路qCaUiCcCiU0(b)

7、電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U041運(yùn)放輸入電壓運(yùn)算放大器輸出端電壓為：(b)電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U0通常A=104108 ,A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，那么上式可近似為：42說明電荷放大器輸出電壓只與電荷q、反響電容Cf有關(guān)，與放大倍數(shù)及電纜電容無關(guān),當(dāng)A0足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。反響電容Cf為常數(shù)時(shí)，輸出電壓與電荷q成正比。反響電容增大，輸出電壓將減小，所以應(yīng)選擇適宜的反響電容Cf值。CF一般取值100-104pF。43七、壓電式傳感器的應(yīng)用一壓電式加速度傳感器二壓電式壓力傳感器三

8、壓電式流量計(jì)四集成壓電式傳感器五壓電傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用六超聲應(yīng)用44 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座一樣的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運(yùn)動(dòng)方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖一 壓電式加速度傳感器構(gòu)造：縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，縱向效應(yīng)是最常見的。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時(shí)將傳感器基座5與被測對(duì)象牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極1引出。qd33Fd33ma45連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負(fù)

9、極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍，即圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷互相抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，而輸出電壓U為單片電壓U的二倍，總電容C為單片電容C的一半，即+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件+并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)，且測量電路輸入阻抗很高的場合。46二 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的構(gòu)造形式。但它們的根本原理一樣。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，那么在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 F作用