可求出电荷放大器的输出电压课件

,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 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,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,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,/,0,3,时，就可以认为,U,im,与,无关，,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（,=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,(,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(Ca+Cc+Ci)R1 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,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,10010,4,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,