压电式传感器 更新时间：2011-05-27 11:00

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将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。

压电式传感器的工作原理

• 电势型传感器

  以压电效应为基础

  压电效应可逆

  “双向传感器”

  正压电效应

  某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。( 加力  变形  产生电荷)

  逆压电效应

  在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场  电介质产生变形 应力 )

  常见的压电材料有石英、、高分子材料等。

压电式传感器的等效电路

•  

  (a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路

  (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路

压电式传感器的信号调节电路

• 压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。

  因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。

  测量电路关键在高阻抗的前置放大器。

  前置放大器两个作用:

  把压电式传感器的微弱信号放大；

  把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。

传感器的低频响应范围

• 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。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量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办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。

  压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。

  传感器感受振动时，质量块感受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的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。

  输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。

影响压电式传感器的精度的因数分析

• 非线性

  指被测物理量的增加，其灵敏度的变化程度

  规定：压电加速度传感器，测振动信号的幅值线性度不大于5[%]，测冲击不得小于10[%]

  横向灵敏度

  机械加工精度、装配精度、净化条件（污染）不够，自身缺陷；措施：仔细调整相互位置

  环境温度的影响

  影响压电常数和介电常数，措施：对压电陶瓷人工老化，隔热处理；此外，连接电缆采用无机绝缘材料

  湿度的影响

  绝缘电阻减小，低频响应变坏。措施：合格的结构设计

  电缆噪声

  电缆受弯曲或振动，屏蔽套、绝缘层和电缆线之间发生位移或摩擦而产生静电荷。

  减小噪声的方法：使用低噪声电缆，同时要固紧

  接地回路噪声

  各仪器与传感器分别接地，电位差产生噪声

  消除方法：尽量一点接地，一般选指示器的输入端接地。