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压电式传感器及应用

时间:2015-04-26 20:17 来源:网络 作者:网络 阅读:

压电式传感器本身内阻很大(Ra≥1010Ω),输出信号又很微弱,给后续测量电路(放大电路等)提出了很高的要求。为了减小测量误差,通常把传感器的输出信号先接入一个高输入阻抗的前置放大器,然后再接入一般的放大电路及其它电路。压电式传感器测量电路的关键在于高阻抗的前置放大器,它有两个作用:一是将压电式传感器的微弱信号放大;二是将传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出。
  压电式传感器的输出可以是电压,也可以是电荷,因此它的前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。
1.电压放大器
  电压放大器又称阻抗变换器,其主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为低输出阻抗,并保持输出电压与输入电压成正比。
  传感器与电压放大器连接时的等效电路如图8.2.4所示,图8.2.4(b)中,等效电阻R
      (8.2.5)
等效电容C为
   (8.2.6)

a)等效电路 b)简化电路
8.2.4 压电式传感器与电压放大器连接的等效电路

  由等效电路可知,前置放大器的输入电压
    (8.2.7)
  假设作用在压电元件上的正弦交变力为F=Fmsinwt ,则压电元件上产生的电荷q=dF
  因此
      (8.2.8)
  将上式写成复数形式为
      (8.2.9)
  将式(8.2.9)代入式(8.2.7)得
(8.2.10)
  因此,前置放大器的输入电压的幅值Uim
(8.2.11)
  输入电压与作用力F之间的相位差为
(8.2.12)
  在理想情况下,传感器的绝缘电阻Ra和前置放大器的输入电阻Ri都为无限大,即电荷没有泄漏,则前置放大器的输入电压(即传感器的开路电压)为
(8.2.13)
  即前置放大器输入电压的幅值Uam
(8.2.14)
  它与实际输入电压Uim之幅值比为
        (8.2.15)
τ为测量回路的时间常数,即
则式(8.2.15)和式(8.2.12)可分别写成如下形式
            (8.2.16)
  由此得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线,如图8.2.5所示。

 

 

 

8.2.5 电压幅值比和相角与频率比的关系曲线

由图可知:
(1)当作用在压电元件上的力是静态力(w=0)时,则前置放大器的输入电压等于零,因此压电式传感器不能测量静态物理量。
(2)高频特性:当w/wn>>1时,即ωτ>>1时,被测量频率愈高(一般只要w/wn≥3时),则前置放大器的输入电压与作用力的频率无关,这表明压电式传感器的高频响应特性好。这也是压电式传感器的一个突出优点。
(3)低频特性:当被测量是缓慢变化的动态量,而测量回路的时间常数又不大,即当ωτ<<1时,则会造成传感器的低频动态误差愈大。因此,为了扩大传感器的低频响应范围,就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容来提高时间常数(输出电压与电容C相关),有效的方法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大,所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大,测量回路的时间常数就越大,传感器的低频响应也就越好。
  电压放大器电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠,但是,电缆长度对传感器测量精度的影响较大(因为电缆长度变化,电缆电容Cc也将改变,因而放大器的输入电压随之变化,进而引起放大器的输出电压变化,使用时更换电缆就要求重新标定),在一定程度上限制了压电式传感器的应用场合。
在实际应用中,为了提高传感器的测量精度,尽量减小电缆长度的影响,可将电压放大器装入压电式传感器内部,组成一体化传感器(了解更多),大大方便了使用。

2.电荷放大器
  电荷放大器是一个带有深度反馈电容Cf的高增益运算放大器。因传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri很大,可视为开路,传感器与电荷放大器连接时的等效电路如图8.2.7所示。
根据图8.2.7,则有

(8.2.5)
式中Ui——放大器输入端电压;
U0——放大器输出端电压;
Cf——放大器反馈电容。
根据U0=-KUi,K为电荷放大器开环增益,可以得到下式
(8.2.6)

 

 

 

 

8.2.7 压电式传感器与电荷放大器连接的等效电路

  当放大器的开环增益K足够大,,则式(8.2.6)可简化为
    (8.2.7)
  可见,电荷放大器的输出电压仅于输入电容量和反馈电容Cf有关,若保持Cf数值不变,输出电压正比于输入电荷量。而且,当时,其输出电压与电缆电容无关,这是电荷放大器的最大优点。但与电压放大器比较,其电路复杂,调整困难,成本较高。另外,在实际使用中,传感器与测量仪器总有一定的距离,它们之间由长电缆连接,由于电缆噪声增加,而降低了信噪比,使低电平振动的测量受到一定程度的限制。

  反馈电容Cf为了提高测量精度,Cf的温度和时间稳定性要好;在电荷放大器的实际电路中,考虑到被测量的不同及后级放大器不致因输入信号太大而引起饱和,反馈电容Cf做成可调的,范围一般在100~10000pF之间。在电荷放大器中采用深度电容负反馈,在直流工作时相当于开路状态,故零漂较大而产生误差,为减小零漂,提高电荷放大器的工作稳定性,一般在反馈电容Cf的两端并联一个大电阻Rf(约1010 Ω),以提供直流反馈。


(责任编辑:admin)

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