引言
傳感器是感知各種信號的最直接工具。自產(chǎn)業(yè)革命以來,各式各樣的機器不斷地出現(xiàn),代替了以前很多由人直接從事的勞動,人類社會也因此逐步進入了工業(yè)社會時代。為了改善機器的性能以及提高機器的智能化程度,需要實時地測量反映機器工作狀態(tài)的信息,并利用這些信息去控制機器,使之處于最佳工作狀態(tài)。為了便于測量和控制,傳感器就成了必不可少的信號拾取工具,它能將各種被測控量(信息)檢出并轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的可用信號(一般為電信號)。
目前,傳感器種類繁多,幾乎各個領(lǐng)域都有傳感器的影子。在眾多的傳感器中,壓電傳感器以其具有工作頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、體積小、重量輕等特點,被廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)、電聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的動態(tài)測量。
弄清壓電傳感器的工作機制及信號調(diào)理電路,對于更好地使用壓電傳感器進行各種測試具有十分重要的意義。
1壓電傳感器的工作原理
某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì),在沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r,內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時,它的兩個對應(yīng)晶面上便會產(chǎn)生符號相反的等量電荷,當(dāng)外力取消后,電荷也消失,又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng),圖1所示是壓電效應(yīng)示意圖。當(dāng)作用力的方向改變時,電荷的極性也隨著改變。相反,當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(加電壓)作用時,這些電介質(zhì)晶體會在一定的晶軸方向產(chǎn)生機械變形,如果外加電場消失,變形也隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮)。具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英晶體和各種壓電陶瓷材料。
2壓電傳感器前置放大電路
2.1壓電傳感器等效電路
由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一 個電荷發(fā)生器,同時,它也看作一個電容器。圖2所示是壓電 傳感器的等效電路,其電容量為:
式中,S為壓電片極板面積;為壓電片厚度;fr為壓電材料的 相對介電常數(shù);fo為空氣介電常數(shù),fo = 8.85 x 10-12F/m。
這樣,兩極板間的開路電壓為 :
2壓電傳感器前置放大電路2.1壓電傳感器等效電路由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一 個電荷發(fā)生器,同時,它也看作一個電容器。圖2所示是壓電 傳感器的等效電路,其電容量為:電阻和電容,R = Ra ' R,C=Cc+G。如果壓電元件沿x軸方 向受到正弦力F = Fmsin的作用,則在垂直x軸表面所產(chǎn)生 的電荷Q與電壓偽均按正弦規(guī)律變化,即:Ca =式中,S為壓電片極板面積;為壓電片厚度;fr為壓電材料的 相對介電常數(shù);fo為空氣介電常數(shù),fo = 8.85 x 10-12F/m。(a)圖3壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路u = Q =算 F,sin ~t =%sin(3)式中,原為壓電元件輸出電壓的幅值,dn為壓電常數(shù),固有:Q(。)這樣,電壓放大器的輸入端電壓傳感器輸出電壓)為:j~RU,=電 7^+r + Zc =海F 1+j~R (G. + C)(4)由式(4)可得,u,的幅值Ulm及與被測作用力F之間的相位差p 分別為:圖2壓電傳感器等效電路(5)這樣,兩極板間的開路電壓為:(2){(~) = 2 - arctan ~R (Ca + C)(6)因此,壓電傳感器可以等效為一個如圖2(c)所示的與電 容并聯(lián)的電荷源,也可等效為一個如圖2(d)所示的與電容串 聯(lián)的電壓源。
2.2壓電傳感器的兩種前置放大電路
壓電傳感器本身的內(nèi)阻很高(Ra H1010X ),而輸出的能 量信號又非常微弱,因此,它的信號調(diào)理電路通常需要一個高 輸入阻抗的前置放大器作為阻抗匹配,然后方可采用一般放 大、檢波、指示等電路,或者經(jīng)功率放大至記錄器。壓電傳感 器的測量電路關(guān)鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。
壓電傳感器的前置放大器有兩個作用:一是把壓電式傳 感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出;二是放大壓電傳感器輸 出的微弱信號。壓電傳感器的輸出信號可以是電壓,也可以是 電荷。因此,前置放大器也有兩種類型:一種是電壓放大器, 它的輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比;另一 種是電荷放大器,其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。
2.2.1電壓放大器
壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路如圖3所示。 圖中,Cc為連接電纜的分布電容,R和G分別為放大器的輸入設(shè)測量回路的時間常數(shù)x = R(Ca + C) = R(Ca + Cc + Ci), 當(dāng)電阻和電容,R = Ra ' R,C=Cc+G。如果壓電元件沿x軸方 向受到正弦力F = Fmsin的作用,則在垂直x軸表面所產(chǎn)生 的電荷Q與電壓偽均按正弦規(guī)律變化,即:
式中,原為壓電元件輸出電壓的幅值,dn為壓電常數(shù),固有:
(7)上式表明,當(dāng)X& 1時,傳感器輸出電壓與作用力的角 頻率3無關(guān),一般取pT N 3就可近似看作口皿與3無關(guān)。即 測量回路時間常數(shù)T一定時,壓電式傳感器高頻響應(yīng)很好。
當(dāng)3T < 3,即被測作用力變化緩慢,此時如果測量回路 時間常數(shù)也不大,就會造成傳感器的靈敏度降低。下限截止 頻率?L與時間常數(shù)T應(yīng)滿足:
(7)上式表明,當(dāng)X& 1時,傳感器輸出電壓與作用力的角 頻率3無關(guān),一般取pT N 3就可近似看作口皿與3無關(guān)。即 測量回路時間常數(shù)T一定時,壓電式傳感器高頻響應(yīng)很好。
當(dāng)3T < 3,即被測作用力變化緩慢,此時如果測量回路 時間常數(shù)也不大,就會造成傳感器的靈敏度降低。下限截止 頻率?L與時間常數(shù)T應(yīng)滿足:
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Ca+ Cc+ Ci
顯然,增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)T,則會影響 電壓靈敏度S,通常用增加電阻R來提高時間常數(shù),為此,應(yīng) 選擇輸入電阻非常高的電壓放大器。
另外,當(dāng)傳感器與電壓放大器之間的電纜長度改變時, 電纜分布電容G將發(fā)生改變,電壓靈敏度S也隨之改變,因 此使用時必須規(guī)定電纜的型號和長度。若要更換電纜,還必 須重新標定和計算靈敏度,否則將會引入測量誤差。目前, 這種方式主要適合實驗室的實驗測試,實際工程應(yīng)用的相對 較少。
2.2.2電荷放大器
圖4所示是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。
圖4壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路
事實上,壓電傳感器也相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器,若產(chǎn)生 的電荷為Q,Ca為傳感器的極間電容,Ra為傳感器的內(nèi)部電阻, Cc為電纜電容,Ri為放大器的輸入電阻,G為放大器的輸入電 容,Cf為放大器的反饋電容,Rf為放大器的反饋電阻,運算放 大器的開環(huán)增益為A(由于Ra與氏很大,計算時可以忽略不計), 那么,由電路可知(反相輸入):
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式中,Sq為加速度傳感器的靈敏度(電荷靈敏度),,為所測的 加速度。
由上面的分析可以看出,電荷放大器的輸出電壓僅與加 速度傳感器的電荷靈敏度系數(shù)Sq和反饋電容Cf有關(guān),連接電 纜的電容對輸出電壓的影響極其微小。這種方式是目前壓電傳 感器的主要的信號放大方式,被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表和 實際工程中。
3結(jié)語
壓電傳感器是動態(tài)測試的重要工具,由其產(chǎn)生的動態(tài)信 號極其微弱,所以在用一般的測試儀表對其進行測試以前必 須進行放大,否則傳感器所檢測到的信號就無法得到。通過 本文的分析可知,用于壓電傳感器的前置放大電路有兩種,即 電壓放大和電荷放大,這兩種放大方式各有優(yōu)缺點。電壓放 大器的優(yōu)點是電路簡單、容易實現(xiàn),缺點是受電纜的影響大; 而電荷放大器的優(yōu)點是與電纜長度無關(guān),因而可以進行遠距 離測量,缺點是電路復(fù)雜,設(shè)計要求高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 電荷放大器的這些缺點可以克服,所以,電荷放大器將成為 壓電傳感器的主要前置放大器。
20211017_616c2040c4f57__壓電傳感器前置放大電路分析