可求出电荷放大器的输出电压课件

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1、,本章主要内容,1、了解正、逆压电效应的定义；,2、了解石英晶体和压电陶瓷的压电效应及其特点；,3、掌握压电传感器的测量电路，分析电压前置放大器和电荷前置放大器的区别和特点；,4、了解压电传感器的应用。,重点和难点,：,压电传感器的测量电路，电压电荷前置放大器的区别和特点。,本 章 主 要 内 容 及 重 点 难 点,本章主要内容1、了解正、逆压电效应的定义；本 章 主 要 内,6.1,压电效应,6.1.1,压电效应及其可逆性,正压电效应,：压电材料受力变形，在表面产生电荷。,逆压电效应,：压电材料通电后，压电材料发生变形。,逆压电效应,电能,机械能,正压电效应,6.1 压电效应 6.1.1

2、压电效应及其可逆性逆压电效应电,,纵轴,Z,称为中心轴（又叫光轴）,；,通过六棱线而垂直于光轴的,X,轴,称为电轴,；,与,X,轴和,Z,轴垂直的,Y,轴,,(,垂直于六棱柱体的棱面,),称为,机械轴,。,6.1.2,石英晶体的压电效应,纵轴Z称为中心轴（又叫光轴）；6.1.2 石英晶体的压电效,通常把沿电轴,(X,轴,),方向的作用力产生的压电效应称为“,纵向压电效应,”，把沿机械轴,(Y,轴,),方向的作用力产生的压电效应称为“,横向压电效应,”，沿光轴,(Z,轴,),方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生,切向效应,。压电式传感器主要是利用,纵向压电效应,。,,通常把沿电

3、轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电,石英晶体,具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。,图,6-4,硅氧离子的排列示意图,,,,,,,,,,(,a,),x,y,,,,,,,(,b,),+,x,y,+,+,-,-,-,石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图6-4,(,a,),F,x,=0,x,y,,,,,,,+,P,1,P,2,P,3,-,-,+,+,,-,P,1,+,P,2,+,P,3,,=,,0,(,b,),F,x,<0,x,+,F,x,y,+,-,F,x,,,,-,,,P,1,P,2,P,3,-,-,+,+,-,,+,+,,+,-,-,(,c,),F,x,>0,

4、,y,,,,,,x,,+,+,+,F,x,F,x,P,2,P,3,P,1,+,+,+,-,-,+,-,-,-,-,(,P,1,+,P,2,+,P,3,),x,> 0,(,P,1,+,P,2,+,P,3,),y,,= 0 (,P,1,+,P,2,+,P,3,),z,= 0,(,P,1,+,P,2,+,P,3,),x,< 0,(,P,1,+,P,2,+,P,3,),y,,= 0 (,P,1,+,P,2,+,P,3,),z,= 0,(a) Fx=0xy+P1P2P3--++-P1+P2+P,图,6-5,石英晶体受力方向

5、与电荷极性关系,+ + + + +,(,a,),,F,x,x,,,- - - - -,,F,x,(,b,),x,,,+ + + + +,- - - - -,x,,F,y,(,c,),,,+ + + + +,- - - - -,,F,y,(,d,),x,,,+ + + + +,- - - - -,图6-5 石英

6、晶体受力方向与电荷极性关系 + +,（,a,）,y,,,,,x,z,O,x,b,,,,,z,y,a,,,c,（,b,）,d,ij,---,在,j,方向受力，在,i,方向产生电荷的压电系数,沿电轴,x,方向施加应力,σ,x,，则在与,x,轴垂直的平面上，产生的单位面积电荷为,,,与,x,轴垂直的平面上,产生的总电荷为,：,（a）yxzOxbzyac（b）dij ---在j方向受力，,若在同一切片上，沿机械轴,y,方向施加应力,σ,y,，则仍在与,x,轴垂直的平面上单位面积产生电荷：,,,根据石英晶体轴对称条件：,d,11,= -,d,12,，则：,晶片厚度,x,b,,,,,z,y,a,,

7、,c,（,b,）,晶片长度,若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力σy，则仍在与x轴垂直,结 论：,①,当晶片受到,x,方向的压力作用时，,产生电荷量,只与作用力,F,x,成正比，与晶片的几何尺寸无关；,②,沿机械轴,y,方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；,③,石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；,④,晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；,⑤,无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间皆呈线性关系。,结 论：,,在几百摄氏度的温度范围内，,石英晶体,的介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到,573℃,时，石英晶体将完全丧去压电特性，

8、这就是它的,居里点,。,,石英晶体,的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。,在几百摄氏度的温度范围内，石英晶体的介电常数,,压电陶瓷由无数细微的电畴组成，极化前，这些电畴是自发极化的，方向呈任意排列，所以整体上并无压电效应。施加高压电场后，各微单元电畴趋向一致，这种极化现象在电场去掉后被部分保留了下来。当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，致使其呈现压电效应。,,6.1.3,压电陶瓷的压电效应,(a),未极化,; (b),电极化,,压电陶瓷由无数细微的电畴组成，

9、极化前，这些电,对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为,z,轴，垂直于,z,轴的平面上任何直线都可作为,x,或,y,轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于,z,轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量,Q,与作用力,F,z,成正比，即,式中：,,d,33,——,压电系数； ,,F,z,——,作用力。,,y,- - - -,,,+ + + +,,F,z,F,z,x,z,对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任,,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。,最早使用的压电陶瓷材料是,钛酸钡（,BaTiO3,）,。它是由碳酸钡和二氧化钛按,1∶

10、1,摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数,约为石英的,50,倍,，但居里点温度只有,115℃,，使用温度,不超过,70℃,，温度稳定性和机械强度都不如石英。,,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。,,目前应用最广泛的压电材料是,锆钛酸铅（,PZT,）。,锆钛酸铅是由,PbTiO,3,和,PbZrO,3,组成的固溶体,Pb,（,Zr,、,Ti,）,O,3,。它与钛酸钡相比，,压电系数更大,，居里点温度在,300℃,以上,，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的,PZT,材料。,目前应用最广泛的压电材料

11、是锆钛酸铅（PZT）,压电材料应具备以下几个主要特性：,①,转换性能,：要求具有较大的压电常数。,②,机械性能,：机械强度高、刚度大。,③,电性能,：高电阻率和大介电常数。,④,环境适应性,：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。,⑤,时间稳定性,：要求压电性能不随时间变化。,6.1.4,新型压电材料,压电材料应具备以下几个主要特性：6.1.4 新型压电材料,1.,压电半导体材料,压电半导体材料有,ZnO,、,CdS,、,ZnS,、,CaS,等，这些材料的显著特点是既有压电性又有半导体的特性。利用其压电特性可研制压电传感器，又可利用其半导体的特性制作电子器件，

12、所以用这些材料可以研制压电转换和放大电路一体化的新型集成压电传感器。,1. 压电半导体材料,2.,高分子压电材料,某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚氟乙烯,PVF,、聚二氟乙烯,PVF,2,、聚偏氟乙烯,PVDF,、聚氯乙烯,PVC,、聚,γ,甲基,-L,谷氨酸脂,PMG,等。高分子压电材料是一种,柔软的压电材料，,不易破碎，可以,大量生产,和制成,较大的面积,。,2. 高分子压电材料,6.2,压电传感器的等效电路,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

13、一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，其电容量为：,,(,a,),q,,,,C,a,,,,6.2 压电传感器的等效电路当压电晶体承受应力作用时，在它,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,,因此，压电传感器还可以等效为电压源,U,a,和一个电容器,C,a,的,串联电路，如图,(b),。,U,a,,,,,C,a,(,b,),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 因,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，因此还需考虑连接导线的等效电容,C,C,、前置放大器的输入电阻,R,i,、输入电容,C,i,，以及压电元件的绝缘电阻,R,a,对电路的影响。,图

14、,6-6,压电传感器的实际等效电路,（,a,） 电压源,;,（,b,） 电荷源,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，因此还需考虑,6.3.3,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，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，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）,6.3.3 压电式传感器的测量电路 由于压电,前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；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

15、的,电压放大器,，其输出电压与输入电压,(,即传感器的输出,),成正比；另一种是用带电容反馈的,电荷放大器,，其输出电压与输入电荷成正比。,前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；,图,6-7,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,1.,电压放大器（阻抗变换器）,图 6-7 压电传感器接放大器的等效电路 1. 电压,,电阻,R,=,R,a,R,i,/(,R,a,+,R,i,),,电容,C,=,C,c,+,C,i,，而,u,a,=,Q/C,a,，若压电元件受正弦力,F,=,F,m,sin,ωt,的作用，则其电压为,式中：

16、,,U,m,——,压电元件输出电压幅值，,,U,m,=,dF,m,/,C,a,； ,,d,——,压电系数。,电阻R=RaRi/(Ra+Ri), 电容C=Cc+C,可得放大器输入端电压,U,i,：,.,U,i,的幅值,U,im,为：,,,.,可得放大器输入端电压Ui：.Ui的幅值Uim为： .,在理想情况下，传感器电阻值,R,a,与前置放大器输入电阻,R,i,都为无限大，即,ω,(,C,a,+,C,c,+,C,i,),R>>,1,，那么理想情况下输入电压幅值,U,im,为,可见前置放大器输入电压,U,im,与频率无关，一般在,ω/ω,0,>3,时，就可以认为,U,im,与,ω,无关，,ω,

17、0,表示测量电路时间常数之倒数，即,(6-10),在理想情况下，传感器电阻值Ra与前置放大器输入电阻Ri都为无,压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（,ω,=0,）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器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。,压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态,,当,ω,(,C,a,+,C,c,+,C,i,),R>>,1,时，放大器输入电压,U,im,如式（,6-10,）所示，式中,C,c,为连接电缆电容，当电缆长度改变时，,C,c,也将改变，因而,U,im,也随之变化。因此，压电传

18、感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。,当ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入电压,,2.,电荷放大器,图,6-10,电荷放大器等效电路,2. 电荷放大器图6-10 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,C,f,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,R,a,和,R,i,并联电阻。,式中 ：,u,o,——,放大器输出电压； ,,u,i,——,放大器输入电压。,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电,由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压,,通常

19、,A,在,10,6,以上，因此,,,当满足,(1+,A,),C,f,>>,C,a,+,C,c,+,C,i,时，上式可表示为,（,5-14,）,可见，电荷放大器的输出电压,u,o,只取决于输入电荷与反馈电容,C,f,，与电缆电容,C,c,无关，且与,Q,成正比。,由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压,,因此，,采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，,这是电荷放大器的最大特点。,,为了得到必要的测量精度，要求反馈电容,C,f,的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，,C,f,的容量做成可选择的，范围一般为,100~10,4,pF,。,因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在,,压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即,低压力下力的传递损失较大,。为此，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，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。,只有在加预载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。,压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器,