实验 压电式传感器实验.doc

实验指导书
实验 压电式传感器实验
实验项目编码：
实验项目时数：2
实验项目类型：综合性（） 设计性（） 验证性（√）
一、实验目的
本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。
二、实验内容及基本原理
（一）实验内容
1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法
（二）实验原理
压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1．压电效应：
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。

(a) (b) (c)
图1 压电效应
2．压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。其中ea=Q/Ca 。式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并联时如图2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。

(a) 压电晶片 (b) 等效电荷源 (c) 并联 (d) 压电式加速度传感器
图2 压电晶片及等效电路
压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图2(b)可知测试中也可取等效电容Ca 上的电压值，作为压电传感器的输出。因此，压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3．压电式加速度传感器
图2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中，M是惯性质量块，K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上，放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力F＝Ma。当质量M一定时，压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
4．压电式加速度传感器和放大器等效电路压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器所配接的放大器有两种结构形式：一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容Cc 敏感。当电缆长度变化时，Cc 就变化，使得放大器输入电压ei 变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。它是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器的漏电阻Ra 和电荷放大器的输入电阻Ri 影响时，有
图3 是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图
Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf……（1）。
式中，ei 为放大器输入端电压；ey 为放大器输出端电压ey=-Kei；K 为电荷放大器开环放大倍数；Cf 为电荷放大器反馈电容。将ey=-Kei 代入式(1)，可得到放大器输出端电压ey与传感器电荷Q 的关系式：设C=Ca+Cc+Ci
ey=-KQ/[(C+Cf)+KCf] ……（2）
当放大器的开环增益足够大时，则有KCf>>C+Cf（2）简化为
ey=-Q/Cf ……（3）
式（3）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容Cf。所以，电荷放大器的灵敏度调节，都是采用切换运算放大器反馈电容Cf的办法。采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。
5、压电加速度传感器实验原理图
压电加速度传感器实验原理、电荷放大器由图4(a)、(b)所示。

图4(a) 压电加速度传感器实验原理框图

图4(b) 电荷放大器原理图
三、实验用仪器与设备
1．±15V 直流稳压电源2．低频振荡器3．压电传感器4．压电传感器实验模板5．移相器/相敏检波器/滤波器模板6．振动源7．双踪示波器
四、实验方法与步骤
1．按图5所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合)，振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。

图5 压电传感器振动实验安装、接线示意图
2．将主机箱上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零)， 调节低频振荡器的频率在6～8Hz 左右。检查接线无误后合上主机箱电源开关。再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率)。
3．用示波器的两个通道[正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在50mS～20mS 范围内选择；VOLTS/DIV：0.5V～50mV 范围内选择)设置]同时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4．改变低频振荡器的频率(调节主机箱低频振荡器的频率)，，观察输出波形变化。实验完毕，关闭电源。
5．实验完毕清理实验接线，将实验器件放回原处，关闭电源。
五、实验准备及预习要求
1．认真阅读本指导书中的实验内容，理解并掌握压电传感器的应用。
六、实验注意事项
1．认真预习实验指导书，理解实验原理后方可进行实验。
2．检查接线无误后，请实验教师查看线路，经确认后合上主机箱电源开关
3．实验完毕后清理实验接线，将实验器件放回原处，关闭实验台电源开关。
七、思考题
1．压电传感器应用在什么场合？

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