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压电加速度传感器测量电路研究


21 年 01 第 3 期  1 S IN E E H O O YIF R A IN CE C &T C N L G   O M TO   N O本刊重稿 O   科技信息  压 电加速度传感器测量电路研究  陶玉 贵  ( 芜湖信 息技 术职 业学 院电子 信息 系 安徽 芜湖 2 10 ) 4  3  0 【 要】 摘 本文分析 了压电加速 度传感器的工作原理及其等效电路 , 出电压放大器和 电荷放 大器两种测量 电路 , 提 并对两种 电路进行性 能  分析和比较 . 出电荷放 大器是压电加速度传感 器测量 电 的最佳 方案。本研 究对类似测量 系统的设计 开发具有一定的借鉴意义。 指 路   【 关键词 】 电加速度传感器 ; 压 电压放 大器; 电荷放大器 ; 灵敏度  现代工业 和 自 动化生产过程中 . 非电物理量 的测量 和控制技术会  涉及大量的动态测试 问题l 1 电加速度传感 器测量 电路是非电物理  I  压 量的测量与控制技 术领域 .特别是振动 与冲击测量 中最重要组成 部  分 压 电加 速度传 感器是一个可 以看作 能产生电荷 的高 内阻发电元  件. 但其产生的电荷量很小 , 因此不能用一般的测 量电路来进行测量 ,   必须用与之相配套的测量 电路 。   匾 () a 电荷等效电路  衄   () b 电压等效电路  1 压 电加速度传感器  I1 工 作 原 理  . 图 3 压 电加速度传感器测试 系统等效 电路  图中. 电压 和电荷等效 电路形式 不同 , 但是其工作 原理是完全等  图1 为压电加速度传感器 的原理图[ 它 由质量块 、 2 1 。 压电元件 和支  效 的。 为传 感器 电缆 电容 , .   R 为放大器输入阻抗 , G为输人 电容 。   座组成 支座与待测物刚性地固定在一起 。当振动频率远 低于传感器  2 压 电加 速 度 传 感器 的测 量 电路  的固有频率 时, 传感器的输出电荷 ( 电压 ) 与作用力成正比。  : T d 即 d =  , 因为 = ,   因此有 q d = m 。其 中, 为电荷 密度 ; 为压 电常  =F d a   d £   ∞ 压 电加速 度传感器 的前置放 大电路有两个作用 : 一是放大 , 传  把 感器 的微弱信号放大 : 二是 阻抗 变换 . 把传感器 的高阻抗输 出变换 为  数: m为质量块质量 : 为测试件加速度。 o 电信号经前置放大器放大 ,   即 前置放大器 的低阻抗输出  压电加速度传感器有 电荷等效 电路和电压  可由一般测量仪器测试出电荷( 电压 ) 大小 . 从而得出物体的加速度 。   等效 电路两种 . 因此前置放 大电路也有两种形式 : 电压放大器和 电荷  输出   引线  放大器。   21 电压放大器  . 电压放大器 的功能 是把压 电加速度传感 器的高输 出阻抗变 为较  支座  图1 压 电加速度传 感器工作原理    1 等 效 电路   . 2 低阻抗 , 并将传感器 的微弱电压信号放大 , 因此也称为阻抗变换器。 其  等效电路如图 4 所示  压电加速度传感器 的敏感器件是压电元件  当压 电元件 受力时 .   在 电极表面就会 出现电荷 . 且两个 电极表 面聚集 的电荷量相 等 . 极性  相反 。 因此 , 可以把压电传感器看作是一个静电荷发生器 , 而压电元件  在这一过程中可以看成是一个电容器  。其电容量 c  =

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