第9课 压电传感器.电荷放大器

q = d33f
dq d i= = d33 f dt dt
UO = kUi
11
q = d33f
dq d d i= = d33 f dt dt
dQ I= = d33SF dt
1 Ui =I(R// ) SC
RS UO = kd33 F RCS +1
R Ui = d33 SF RCS +1
拉氏变换
Uo(S) kd33RS H(S) H(S)= = F(S) RCS +1
教材：P77 Ramon: P290
1. 2. 3. 4. 5. 6.
压电效应、逆压电效应 三种重要的压电材料 压电传感器的特性 电荷放大器的原理 压电振动传感器 几种典型应用
不同方向上的效应
++ +++ -- - -Longitudinal L it di l Effect
纵向效应
++ +++ -- - --
石英(quartz)
m(10-3), u(10-6), n(10-9), p(10-12), f(10-15), a(10-18)
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶 体的压电灵敏度高得多 而制造成本却很低 因此目前 体的压电灵敏度高得多，而制造成本却很低，因此目前 国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用 的压电陶瓷材料有锆钛酸铅(PZT)及非铅系压电陶瓷(如 BaTiO3等)。
+11V R
Current C t Regulating Diode
Quartz
石英 (压电体)
+24 VDC
可用2--10mA 恒流管
ICP 内部的放大器并没有说是电压还是电荷。 Coaxial cable (同轴电缆);coupling capacitor(耦合电容)
15
100
频率响应曲线
谐振峰 可用区间
电阻会很快泄放掉其上的电荷。
压电式传感器
输出端 壳体 弹簧 质量块 压电片 基 基座座
压电片背对背放置可以提高引线的工艺性
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放大器内置的传感器
(美国PCB公司)
ICP Sensor Amplifier
输出电压自动稳 定在11伏左右
Constant Current Signal Conditioner Signal G Ground Coupling Capacitor
压电体2 压
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用在探测 （B超，测距，声纳，超声显微）
R
V
V
石英大量应用在振荡器中
利用压电效应 和逆压电效应， 可以做成振荡 器 石英具有 器。石英具有 非常高的稳定 性，因此在时 钟方面应用非 常广泛。
作
1. 什么是压电效应和逆压电效应？
业
2 分析比较用来配接压电传感器的电压放大器和电荷放大器各有 2. 什么特点。 3. 仔细观察右边压电加速度传感器的结构图， 选做 说明为何一般传感器中常使用两片压电元 件相对放置构成。 4 分析电荷放大器由于运放开环增益不 4. 理想带来的误差。 5 给出一般压电传感器的频率响应曲线 5. 给出 般压电传感器的频率响应曲线， 并解释各段形成的原因。为何一般不用 压电传感器做电子称的敏感元件？
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压电式传感器的频率响应
压电传感器的低频响应不好。主要是受到泄漏电阻 （传感器本身与放大器输入电阻）的影响 传感器的 （传感器本身与放大器输入电阻）的影响。传感器的 低频响应可以很低1，但就是不能为零(DC)；
(1) 频率下限 (1)、频率下限
(2)、 频率上限
压电传感器的频率上限由传感器本身的固有频率限制 压电传感器的频率上限由传感器本身的固有频率限制， 一般应为固有频率的三分之一以下。
+ -
+ -
+
T
T
+ + -
T
无压电效应
有压电效应
有压电效应
它具有:(1)压电和逆压电效应；(2)很小 它具有 (1)压电和逆压电效应 (2)很小 的机械损耗,品质因数可以高达百万以上； (3) 很 好 的 热 稳 定 性 （ 0.5ppm/ 0 5ppm/oC; 钢 12ppm/oC）；(4)很好的时间稳定度性， (5)没有热释电现象；(6)很好的机械强度。 石英晶体最大的用途是做振荡器，用在各 种时钟里 全世界每年估计要生产出20亿 种时钟里。全世界每年估计要生产出20亿 只以上的晶振。 石英晶体的最大遗憾是压电系数不高，典 型值是：2pC/N(2皮库仑/牛顿)。
0
0 10 20 30 40 50
F Poling axis
应力(106 Pa) 应力( )
20mm Open circuit Voltage F
晶体切片石英晶片超声 Nhomakorabea达friction material rotor stator
bearing
Cross C oss section sect o o of t traveling ave g wave motor oto
压电纵跳训练分析
一般压电效应伴有逆效应 般压电效应伴有逆效应
F F
+
+ -
+
Poling axis
+
(b)
+
(c)
(a)
+ + (d) (e)
+
+
(f)
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热释电敏感元件
Pyroelectric element a 摩擦起电 a、摩擦起电 b、拉压起电
主要用来检测红外信号
例如人体等
Pyroelectricity is the electrical potential created in certain materials when they are heated. As a result of a change in temperature, positive iti and d negative ti charges h move to t opposite it ends d through th h migration, and hence, an electrical potential is established. Very small changes in temperature produce pyroelectric charge charge. Motion detection devices are often designed around pyroelectric materials, as the heat of a human or animal from several feet away is enough to generate a difference in charge charge.
例
F
+ + + + + + + + + +
子
F = MA
+ + + + + + + + + +
- - - - - + PA + + + + F= + + + + - - -- - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
Force Sensor
1. 注：不是指每一个传感器，而是指通过特殊的工艺可以生产出这样具有优良低频性能的压电传感器。
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性能指标
灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4－400Hz
技术指标：
安装谐振点 15kH 安装谐振点：15kHz 分辨率：0.00004g 重量：40g 重量 非线性：≤1％ 注：加速度的单位经常使用g，它表示的是9.80665m/s2:
Transverse Effect
横向效应
++ +++ -- - --
Shear Effect
剪切效应
压电加速度传感器外形
两种加速度传感器的特性
Kistler： 8 02B 0 8702B50 PCB：302A09 1g=9.80665m/s2 （加速度单位）
压 薄膜制成的喇叭 压电薄膜制成的喇叭
H(S)相当于一个一阶高通滤波器，因此只能传递高频信号。
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电荷放大器 (charge amplifier)
R用来稳 定零点
理想情况下：电荷放大器的输出电压只与
反馈电容的大小、压电体产生的电荷量有关， 而与压电体的电容、电缆的电容等无关。 C = 电缆电容 +压电元件电容 +运放输入电容
φ
Q Uo = Cf
压电传感器
基于压电效应的传感器叫压电传感器。在这类传感器中，压 基于压电效应的传感器叫压电传感器 在这类传感器中 压 电元件是力敏元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电 量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。 这类传感器
不能用于静态测量。
理论上来讲，如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板 上的电荷无内部泄漏 外电路负载无穷大 那么在外力作 上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作 用期间，电荷量将始终保持不变。但这是不存在的,漏
测试技术
第9课
压电式传感器
冯志华
中国科学技术大学 精密机械系 2010.11
压电效应
Q =k•F
(Q = d 33 • F )
Q U= C
ε rε 0 A C= δ
压电传感器可以看作是电荷发生器，同时它又是一个电容器。