电荷放大器

本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器工作原理原理3.了解传感器的选用原则第三章常用的传感器物理量电量3.7压电式传感器压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达和引爆等领域。压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为与力相关的物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。3.7.1压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称之为压电材料，石英是一种常用的压电材料。（一）石英晶体的压电效应石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。实验证明：压电体表面集聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴x－x方向加力F，则在垂直于x－x方向的压电体表面上积聚的电荷量为：FdqcFXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXXYYXYFtldFtblbdq12123.7.2压电材料压电材料的主要特征参数：1，压电常数2，弹性常数3，介电常数4，机电耦合系数5，电阻6，居里点迄今出现的压电材料压电晶体（单晶）压电陶瓷（多晶半导体）新型压电材料（有机压电薄膜）石英比较常用，其主要性能特点：1.压电常数小，时间和温度稳定；2.机械强度和品质因素高，刚度大，固有频率高，动态性好；3.居里点573摄氏度，无热释电性，绝缘性和重复性佳．压电陶瓷特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟；成型工艺性好，成本低廉；热电释性。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷。压电半导体硫化锌，碲化镉，氧化锌，硫化镉等有机高分子压电材料某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜。高分子化合物中参杂压电陶瓷PZT或钛酸钡粉末制成的高分子压电薄膜高分子压电薄膜的压电特性并不太好，但其可以大量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点。3.7.3压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，形成了电场。压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器压电器件从性质上讲，是一个有源电容器AC0aCqU0+串联+并联F+q=DF根据电荷平衡建立的方程为：tiCuqdtqtiiCRsind00tqitiCRcosdd00忽略过渡过程，其稳态解：)sin()(1200tCRqi01arctanCR电容上的电压值：)sin()1(112000tCRCqiRu表明压电元件的电压输出还受回路的时间常数R0C的影响。压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。3.7.4压电式传感器及其等效电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。电压放大器电荷放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。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回路CF与RF。由图可知i的表达式为：－A0CaU∑USC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF前置放大器的主要作用有两点：（1）将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；（2）放大传感器输出的微弱信号。前置放大器有两种形式：（1）电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成正比。（2）带电容反馈的电荷放大器，输出电压与输入电荷成正比。3.7.5压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用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电荷为运动方向21345纵向效应型加速度传感器的截面图（一）压电式加速度传感器其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3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5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。q＝d33F＝d33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。（二）压电式压力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简图。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5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SPdFdq1111F——作用于压电片上的力；d11——压电系数；P——压强，；S——膜片的有效面积。SFP123456p压电式测压传感器原理图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，则根据灵敏度的定义有：PqkqPUku000CqU011CSdku因为，所以电压灵敏度也可表示为U0——压电片输出电压；C0——压电片等效电容电压灵敏度电荷灵敏度Sdkq11电荷灵敏度（三）压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况（四）集成压电式传感器是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。脉搏计照片典型应用：·脉搏计数探测·按键键盘，触摸键盘·振动、冲击、碰撞报警·振动加速度测量·管道压力波动·其它机电转换、动态力检测等（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和tB（=LB/V），两者时间差为Δt=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又L=LA+LB（2）LABO点LALB地面1、检测原理因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道LA和LB的长度，已知的是L和V，如果能设法求出Δt，则联立（1）+（2）得：LA=(L+ΔtV)/2（3）或者将（1）-（2）得：LB=（L-ΔtV）/2（4）关键是确定Δt，就可准确确定漏点O。如果从O点出发的是一极短暂的脉冲，在A、B两点用双线扫描同时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是Δt。实际的困难在于漏水声是连续不断发出的，在A、B两传感器测得的是一片连续不断，幅度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们“对齐”，对齐移动所需要的时间就是Δt。能把磁场变化转换成电量输出的器件称为磁敏传感器。两种类型：1.半导体磁敏器件霍尔器件、磁敏电阻器件、磁敏二极管、磁敏三极管和磁敏集成电路等。2.强磁性的磁敏器件金属磁阻器件、韦根德磁敏器件等。半导体磁敏器件具有体积小、灵敏度高、寿命长等优点，在近代测试技术中获得了广泛应用。3.8磁敏传感器半导体传感器半导体材料的重要特性：对光、热、力、磁、气体、湿度等理化量的敏感性。半导体传感器是一些物性型传感器优点是：结构简单、体积小、重量轻；功耗低、安全可靠、寿命长；对被测量敏感、相应快；易于实现集成化。缺点是：输出特性一般是非线性的，常采用线性化电路；受温度影响大，需要采用温度补偿措施；性能参数分散性较大。一、霍尔器件半导体材料的霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。sinIBKVHH霍尔元件一般由锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。用左手定则判断洛伦兹力方向的方法：将左手掌摊平，让磁力线穿过手掌心，四指表示电荷运动方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛仑兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛仑兹力