压电式力学传感器的工作原理和应用

压电式力学传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面产生电荷,从而实现非电量测量的目的。压电传感元件是力敏感元件,它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量,如动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。压电式力学传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性高、稳定性高。

1.压电式力学传感器的工作原理

压电式力学传感器是基于某些介质材料的压电效应,是典型的双向有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生,从而实现非电量测量。

某些电介质(通常采用SiO2)在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上生成符号相反的电荷,当外力去掉后,它又会恢复到不带电状态,从而实现力/电转换。具有压电效应的物质很多,如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。并且压电效应是可逆的,在电介质的极化方向上施加电场时,这些电介质会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失。

2.压电式力学传感器的等效电路与测量电路

(1)等效电路

压电式力学传感器

在压电式力学传感器中被测量的变化是通过压电元件产生电荷量的大小来反映的,因此压电式力学传感器相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时,它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器,其电容量,其中,S 为极板面积,εr为压电材料的相对介电常数,ε0为真空介电函数,d 为压电元件的厚度。

当压电元件输出电荷时,可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器Ca相并联的电荷等效电路,如图3.11(a)所示。在开路状态下,其输出端电荷Q=UaCa。当压电元件输出电压时,可以把它等效成一个电压源与一个电容器相串联的电压等效电路,如图3.11(b)所示。在开路状态下,其输出端电压

图3.11　压电传感器的等效电路图

(2)测量电路

由于压电式力学传感器的输出电信号很微弱,通常要把传感器信号输入高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路将信号输入指示仪表或记录器中。根据压电式力学传感器的工作原理及等效电路,它的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号。因此,设计前置放大器也有两种形式:一种是电压放大器,其输出与输入电压成正比;另一种是电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。

①电压放大器

电压放大器又称阻抗变换器,它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗,并保持输出电压与输入电压成正比。图3.12(a)是电压放大器电路,图3.12(b)是压电式力学传感器与电压放大器连接的等效电路图,图3.12(b)中的等效电阻,等效电容C=Ca+Ci。

若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用,则压电元件上产生的电荷为

压电元件上产生的电压为

其中,Um为压电元件输出电压幅值,Um=d Fm/Ca;Fm为作用力的幅值;d 为压电系数;ω 为作用动态力的变化频率。

则放大器输入端电压为

在理想情况下,传感器的电阻值Ra与前置放大器输入电阻Ri都为无限大,即

那么,输入电压幅值Uim为

式(3.16)表明,在理想情况时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,其中ω0表示测量电路时间常数τ的倒数:

这表明在测量回路的时间常数一定的情况下,压电传感器有很好的高频响应,也就是测量电路的输出与被测信号频率无关。(www.xing528.com)

图3.12　电路图

②电荷放大器

电荷放大器是将高内阻的电荷源转换为低输出阻抗电压源的压电式力学传感器专用的前置放大器,它的输出电压正比于输入电荷。电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。若放大器的开环增益A0足够大,并且放大器的输入阻抗很高,则放大器输入端几乎没有分流,运算电流仅流入反馈电容Cf。由图3.13可知运放电流i的表达式为

反馈电容Cf等效到开环增益A0的输入端时,电容Cf将增大1+A0倍。所以,在图3.13中C′=(1+A0)Cf,这就是所谓“密勒效应”的结果。

由图3.13(b)电荷放大器的等效电路可知,运算放大器的输入电压为

运算放大器的输出电压为

在通常情况下A=104～108,(A+1)Cf≫(Ca+Cc+Ci),则式(3.20)可近似为

说明电荷放大器的输出电压只与电荷q、反馈电容Cf有关,与放大倍数及电缆电容无关,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,这是电荷放大器的最大特点。

图3.13　压电式传感器与电荷放大器的等效电路图

3.压电式力学传感器的实用举例

(1)压电式测压传感器

根据使用要求不同,压电式测压传感器有各种不同的结构形式,但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理如图3.14所示,它由引线、壳体、基座、压电晶片、受压膜片及导电片组成。当膜片受到压力P 作用后,则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q 为q=d11F=d11SP,其中,F 为作用于压电片上的力,d11为压电系数,P 为压强,S 为膜片的有效面积。

压电式测压传感器的输入量为压力P,如果传感器只由一个压电晶片组成,则灵敏度的定义有:电荷灵敏度为;电压灵敏度为;电荷灵敏度为kq=d11S。因为,所以电压灵敏度也可表示为其中,Uo为压电片输出电压,C0为压电片等效电容。

(2)压电式加速度传感器

压电式加速度传感器主要有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种,其中纵向效应型是最常见的。图3.15是纵向效应型压电式加速度传感器的结构图,压电陶瓷和质量块为环形,通过螺母对质量块预先加载,使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座与被测对象紧固在一起。输出信号由电极引出。当传感器感受振动时,因为质量块相对被测体质量较小,因此质量块感受到与传感器基座相同的振动,并受到与加速度方向相反的惯性力,此力F=ma。同时,惯性力作用在压电陶瓷片上产生的电荷为

图3.14　压电式测压传感器

图3.15　纵向效应型压电式加速度传感器

图3.16是压电式加速度传感器的连接方式。图3.16(a)为并联形式,片上的负极集中在中间极上,其输出电容C′为单片电容C 的两倍,输出电压U′等于单片电压U,极板上电荷q′为单片电荷量q 的两倍,即q′=2q,U′=U,C′=2C。图3.16(b)为串联形式,正电荷集中在上极板,负电荷集中在下极板,而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图3.16(b)可知,输出的总电荷q′等于单片电荷q,输出电压U′为单片电压U 的两倍,总电容C′为单片电容C 的一半,即q′=q;U′=U,C′=

图3.16　压电式加速度传感器的连接方式