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压电传感器测量电路

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压电式传感器的测量电路

压电式传感器的测量电路
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi） O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb（Mg13 ·Nb
2 3
）O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3（a）所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104～106, 因此若满足（1+A）Cf 式（6 - 2）可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Ｃc+Ci时,
由式（6 - 13）可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3（c）所示, 与图6 - 3（b）情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。

压电传感器等效电路

压电传感器等效电路

C Cc Ci
(3-7)
压电传感器的开路电压U q ，若压电元件沿电轴方向施加
Ce
交力 F Fm sin t ，则产生的电荷和电压均按正弦规律变
化，其电压为 U q dF dFm sin t Ce Ce Ce
(3-8)
上一页 下一页 返回
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
电压的幅值
若从石英晶体上沿 y方向切下一块如图3-1(c)所示的晶体片， 当在电轴x方向施加作用力时，在与电轴(x)垂直的平面上将 产生电荷，其大小为
qx d11Fx
（3-1）
式中：d11——x轴方向受力的压电系数，单位C/N；
Fx ——作用力，单位N。
上一页 下一页 返回
第一节 压电效应和压电材料
若在同一切片上，沿机械轴y方向加作用力Fy，则仍在与x轴
力的测量，而且相当理想。
上一页 下一页 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ回
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
图3-11(a)给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高
的输入阻抗（>>1000MΩ）和很低的输出阻抗
（<100Ω），因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传
感器与一般放大器匹配。BG1与MOS场效应管，作阻抗变换， R3>>100Ω；BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高 输入阻抗。 R4既是BG1的源极接地电阻，也是BG2的负载 电阻， R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG1的输入 端，使A点电位提高，保证较高的交流输入阻抗。R4由BG1 构成的输入级，其输入阻抗为
上一页 下一页 返回
第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
三、压电传感器的测量电路
为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载 电阻RL要大到一定数值，才能使晶体片上的漏电流相应变小， 因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放 大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大传感器 输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。

3.2压电式压力传感器解析

3.2压电式压力传感器解析
32
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速 度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能： 机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性
范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围； 13 ⑤时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以， 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输 出电压与单片时相同。 图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和， 上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电 压增大了1倍。
3. 交通监测
将高分子压电电 缆埋在公路上，可以 获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎）、 车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数 据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。

压电式传感器的测量电路

压电式传感器的测量电路

传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器（阻抗变换器） 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.3 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的前置放大器中， 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过 阻抗交换以后， 阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号 输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键 其中， 输入到指示仪表或记录器中。 其中 在于高阻抗输入的前置放大器。） 在于高阻抗输入的前置放大器。）
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好， 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此， 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为此 ， 在力传递系统中加入预加力，称预载。 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低 压力使用中的非线性外， 压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙， 提高刚度。 特别是，它只有在加预载 表面的间隙 ， 提高刚度 。 特别是， 后才能用压电传感器测量拉力和拉、 后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力 和扭矩。 和扭矩。
（5-20） 20）

压力传感器电路工作原理

压力传感器电路工作原理

压力传感器电路工作原理
答案：
压力传感器电路的工作原理主要基于压电效应、压阻效应和弹性敏感元件的形变。

具体来说：
压电式压力传感器。

其主要工作原理是压电效应，即某些晶体在受到机械力作用时发生变形，从而产生极化效应，导致电信号的输出。

当外力作用在压电材料上时，其表面会形成电荷，这些电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗后，被转换成为与外力成正比关系的电量输出。

压阻式压力传感器。

其基于压阻效应，即材料在受到机械应力时电阻值发生变化。

在压阻式压力传感器中，通常使用电阻应变片，这些应变片吸附在基体材料上，随着机械形变而产生阻值变化。

电阻式压力传感器。

其基于电阻应变效应，即金属电阻应变片随机械形变而产生阻值变化的现象。

当压力作用于弹性元件上时，它会产生形变，从而使电阻片的电阻值发生变化，这个变化的电阻值可以通过导线传输到电路中，从而被处理成标准的电信号。

弹性敏感元件的形变。

在压力传感器中，弹性敏感元件（如弹性膜）用于感受压力的变化，这些元件在大气压或其他外力作用下发生形变，通过惠斯通电桥等测量电路将形变转换为电压或电流信号，从而度量压力的大小。

不同类型的压力传感器（如压电式、压阻式、电阻式）可能采用不同的材料和技术，但它们的核心工作原理都是将压力的变化转换为可测量的电信号。

5-3 压电式传感器的测量电路

5-3 压电式传感器的测量电路

A0 CF
若考虑电缆电容 Cc，则有
U sc

1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ra
(1
A0 )
1 RF

jqA0 j[Ca
Cc
(1
A0 )CF ]
U（ 5-23）
§5-3 压电式传感器的测量电路
当 A0 足够大时，传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输 出。因此输出电压 Usc 只决定于输入电荷 q 及反馈回路的参数 CF 和 RF。由 于1/RF<<ωCF，则
(5-14)
式中 Fm——作用力的幅值。
若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为 d33, 则在外力作用下，压电元 件产生的电压值为
Ua

d33 Fm Ca
sin t
(5-15)
或
U a U m sin t
(5-16)
由图5-17（b）可得送入放大器输入端的电压 Ui，将其写为复数形式，为
Ui
可见压电式传感器配用电荷放大器时，其低频幅值误差和截止频率只决
定于反馈电路的参数 RF 和 CF，其中 CF 的大小可以由所需要的电压输出幅度 决定。所以当给定工作频带下限截止频率 fL 时，反馈电阻 RF 值可以由（530）式确定。譬如当 CF=1 000 pF，fL=0.16 Hz时，则要求 RF ≥109 Ω。
图5-18为一实用的阻抗变换电路，MOS 型 FFT 管 3DO1F 为输入级， R4 为它的自给偏置电阻，R5 提供串联电流负反馈。适当调节 R2 的大小可以 使 R3 的负反馈接近 100%。此电路的输入电阻可达 2×108 Ω。
近年来，由于线性集成运算放大器的飞跃发展，出现了如 5G28 型结型 场效应管输入的高阻抗器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器电路 进一步得到发展。随着 MOS 和双极型混合集成电路的发展。具有更高阻抗的 器件也将问世。因而电荷放大器将有良好的发展远景。

压电式传感器的测量转换电路


( A 1)
QA (Ca Cc
Ci )
Q Cf
（5-6）
2021年3月14日星期日
Uo
Cf
( A 1)
QA (Ca Cc
Ci )
Q Cf
由式（5-6）可以得出以下几点结论： （1）电荷放大器的输出电压只与输入电荷量Q和反馈电容Cf有
关，而与放大器的放大系数A、电缆电容Cc和前置放大器 的输入电容Ci等的变化均无关。 （2）只要保持反馈电容Cf的数值不变，就可得到与输入电荷量 Q变化成线性关系的输出电压 。 （3）压电式传感器产生的电荷量Q一定时，反馈电容Cf越小， 输出电压 就越大。
压电式传感器的测量转换电 路
压电式传感器的测量转换电路 1.1 压电元件的等效电路
由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同
时, 当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器，
则其电容量为
Ca
0r A
d
(5- 2)
式中: A——压电片的面积; d ——压电片的厚度; εr——压电材料的相对介电常数。
2021年3月14日星期日
1.3 电荷放大器
图5-8 电荷放大器的等效电路
2021年3月14日星期日
由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足Cf（A+1）>> （Ca+Cc+Ci），因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci 的影响。因此，电荷放大器输出电压的表达式为
Uo
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Cf
压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此 它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放 大器，其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输 出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感 器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前 置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。

6.2 压电传感器的测量电路

3
（1）电压放大器
压电传感器的测量电路
Uim
dFmR 1 2R2 (Ca Cc Ci )
4
当 30 时，
就可以认为Uim与频率无关，0表示测量电路 时间常数的倒数。
0 1/[R(Ca Cc Ci )]
结论：压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件的力为静态力时，前 置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电 阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。
Ca

r0 A
d
1
压电元件的等效电路
Ua

q Ca
2
6.2.2 压电传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置 放大器，其作用为：
（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； （2）放大传感器输出的微弱信号。
压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器 和电荷放大器。
压电传感器具有很好的高频响应但当作用于压电元件的力为静态力时前置放大器的输入电压等于零因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量
6.2 压电式传感器的测量电路
6.2.1 压电式传感器的等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看作 一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体 上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板， 极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：
5
(Ca Cc Ci )R 1 时，理想情况下输入电压幅值Uim为：
U
im
Ca
dFm Cc

压电式传感器的测量电路

当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极 性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个
电荷源与一个电容并联的电荷发生器。
其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，
其大小为
q Ua Ca
Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容 器Ca的 串联电路，如图 (b)。
dFm Ua sin t U m sin t Ca
Um=dFm/Ca； d——压电系数。
（5-20）
式中： Um——压电元件输出电压幅值，
由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为
i d 33 F U
. Ui的幅值Uim
jR 1 jR( C a C )
(5-21)
压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，
2. 电荷放大器
Cr
－A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图5-17 电荷放大器等效电路
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个
反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大
器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可 略去Ra和Ri并联电阻。
q Uo Ud Cf
U im
d 33 Fm Ca Cc C i
(5-24)
上式表明前置放大器输入电压 Uim与频率无关，一般在 ω/ω0>3 时，就可以认为 Uim 与 ω 无关， ω0 表示测量电 路时间常数之倒数，即 1 0 ( C a C c C i )R
这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当
式中 ： Uo——放大器输出电压；

《传感器技术及其应用》第03单元 压电传感器的应用—压电传感实验


电荷放大模块电路图：
比较器模块电路图：
（1）压电传感模块场景模拟界面认识 压电传感模块场景模拟界面主要包括5个部分，
模拟场景、压电特性曲线、放大信号和灵敏度调节 信号AD值、模拟车速检测的参数、比较器输出状态。
任务一 实验目的 任务二 是按原理 任务三 实验步骤
1. 振动实验模块的启动
（1）将NEWLab实验硬件平台通电并与电脑连接。
原理说明
1. 压电式传感器的工作原理 （1）压电效应 ：
表达这一关系的压电方程如式：
式中 F——作用的外力； Q——产生的表面电荷； d——压电系数，是描述压电效应的物理量。
原理说明
（2)等效电路 其电容量为：
式中 S——压电元件电极面的面积，单位为； δ——压电元件厚度，单位为； ε——压电材料的介电常数，单位为，它随材料不同而不 同，如锆钛酸铅的；
第3单元 压电传感器的应用--压 电传感器实验
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
单元任务预览
一、实验目的 了解压电传感器的检测原理 掌握压电传感器的检测电路及方法 了解压电传感模块的原理并掌握其测量方法
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
原理说明
压电式传感器是将被测量变化转换成材料受 机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一 种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器 或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件， 它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如 力、压力、加速度等。
点为1210℃。
c）压电陶瓷：
4. NEWLab压电传感模块认识
①LDT0-028K压电薄膜传感器； ②电荷放大模块电路； ③灵敏度调节电位器； ④信号放大比较器模块； ⑤灵敏度调节信号接口J10，测量灵敏度调节点位器可调端 输出电压，即比较器1正端（3脚）的输入电压； ⑥传感器信号接口J7，测量压电传感器的输出信号； ⑦电荷信号接口J4，测量电荷放大模块的输出信号； ⑧放大信号接口J6，测量信号放大电路输出信号，即比较器 1负端（2脚）的输入信号； ⑨比较输出接口J3，测试信号放大比较器模块的输出信号。 ⑩接地GND接口J2
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ca
Ua
Ra Cc Ri Ci
ca
u0
Ua
R
Ui
C
电压放大器
9
等效电路
压电传感器的检测电路
电荷放大器常作为压电式传感器的输入电路，由一个反 馈电容Cf和高增益运算放大q 器构成。 放大器输出电压 U0 =-q/Cf。
电荷放大器
10
压电传感器误差处理
q 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，主要是传 感器受力系统中力传递系数非线性导致，因此在力传 递系统中加入预加力，也叫预载，可以消除低压力使 用中的非线性，也可以消除传感器内外接触表面的间 隙，提高刚度。
项目五 力的检测
任务三 智能交通车速的检测
压电传感器测量电路
1
压电元件结构及组合形式
并联接法：如图a所示，外力作 用下正负电极上电荷增加一倍， 电容增加一倍，输出电压与单 片时相同，适于测量缓慢变化 的信号，以电荷量输出为主；
Hale Waihona Puke 串联接法：如图b所示，上、下 极板的电荷与单片时相同,总电容 为单片的一半,输出电压增大了1 倍,适用于测量电路存在高输入阻 抗情况,并以电压为输出量。
7
压电传感器的检测电路
放大器的作用 一是将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出； 二是放大传感器输出的微弱电信号。
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 压也就是传感器的输出成正比； 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器,其输出电压 与输入电荷成正比。
8
压电传感器的检测电路
2
压电传感器等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个 电荷发生器。当压电元件承受应力作用时，在它的两个极 面上出现极性相反但电量相等的电荷，所以可以把压电传 感器看成一个电荷元与一个电容并联的电荷发生器，如图 a所示。
其电容为
3
压电传感器等效电路
压电元件受外力时，两表面产生等量的正负电荷，两极板 产生一定的电压，大小为Ua=q/Ca,因此，压电传感器还 可以看成一个电压源与一个电容串联的电路
11
课程回顾——
1 压电式传感器的等效电路 2 压电传感器检测电路
想一想：压电式传感器测量电路的作用解决 的核心问题是什么？
12
（b）
4
压电传感器等效电路
压电式传感器的等效电路
5
压电传感器等效电路
压电式传感器完整的等效电路
ca
Ua
Ra Cc Ri Ci
电压源
6
q
ce Ra Cc Ri Ci
电荷源
压电传感器的检测电路
由于压电式传感器的输出信号微弱，通常先把 传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器 中，经过阻抗变换以后，再用一般的放大检波 电路将信号输入到指示仪表或记录器中。