第第5 5章章 电动势式传感器电动势式传感器本章包含三部分内容：本章包含三部分内容：5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.2 5.2 霍尔传感器霍尔传感器5.3 5.3 压电式传感器压电式传感器5.1 5.1 磁电感应式传感器磁电感应式传感器简称简称感应式感应式传感器，也称传感器，也称电动式电动式传感器。传感器。 利用利用磁电作用磁电作用将被测物理量的变化转变为感应电动势，是将被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机电能量变换型传感器。一种机电能量变换型传感器。优点优点：输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。输出功率大，性能稳定，且不需要工作电源。调理电路简单，调理电路简单，性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率性能稳定，输出阻抗小，具有一定频率响应（一般响应（一般101010001000HzHz），灵敏度较高，一般不需要高灵敏度较高，一般不需要高增益放大器。增益放大器。 缺点缺点：传感器的尺寸和重量都较大。：传感器的尺寸和重量都较大。 应用应用：适用于振动、转速、扭矩等测量。：适用于振动、转速、扭矩等测量。5.1.1 5.1.1 工作原理工作原理N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线的大小决定于穿过线圈的磁通量圈的磁通量的变化率，即：的变化率，即： 如如:当线圈垂直于磁场方向运动以速度当线圈垂直于磁场方向运动以速度 v切割磁力线时，切割磁力线时，感应电动势为：感应电动势为：=Nd/dt式中：式中：l每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度； B线圈所在磁场的磁感应强度。线圈所在磁场的磁感应强度。=NBlv 引起引起d/dt 变化的因素：变化的因素： 线圈切割磁力线线圈切割磁力线-恒定磁通式恒定磁通式（动圈式和动铁式）；（动圈式和动铁式）； =BS，磁场强度，磁场强度B改变改变-变磁通式变磁通式（磁阻式）。（磁阻式）。磁磁电电感感应应式式动圈式动圈式磁磁阻阻式式线速度型线速度型角速度型角速度型N变变磁磁通通式式恒恒定定磁磁通通式式动磁式动磁式闭磁路闭磁路开磁路开磁路5.1.2 5.1.2 磁电感应式传感器的类型磁电感应式传感器的类型 下图下图(b)(b)为为闭磁路闭磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f f与测量齿轮转与测量齿轮转速速n n(r/min)(r/min)成正比，即成正比，即f=n/30f=n/30。 图图(a)(a)为为开磁路开磁路变磁通式传感器结构示意图，变磁通式传感器结构示意图，1 1、变磁通式磁电传感器、变磁通式磁电传感器测速测速电机电机磁电式车速传感器磁电式车速传感器磁阻式传感器磁阻式传感器 图图5.35.3和图和图5.45.4分别为动圈式和动磁式的结构原理图。分别为动圈式和动磁式的结构原理图。 组成：金属骨架组成：金属骨架1 1、弹簧、弹簧2 2、线圈、线圈3 3、永久磁铁、永久磁铁4 4和导磁壳体和导磁壳体5 5等。等。 特征：这种结构磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路气隙不特征：这种结构磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路气隙不变，气隙中磁通也不变，运动部件可以是磁铁，也可以是线圈。变，气隙中磁通也不变，运动部件可以是磁铁，也可以是线圈。两者工作原理完全相同。两者工作原理完全相同。图图5.3 5.3 动圈式动圈式图图5.4 5.4 动动铁（磁）式铁（磁）式2 2、恒定磁通式磁电传感器、恒定磁通式磁电传感器图图5.35.3。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动时，若线圈相对磁场的运动速度为若线圈相对磁场的运动速度为v v，则所产生的感应电则所产生的感应电动势：动势： e =B l v式中：式中： l 每匝线圈的平均长度；每匝线圈的平均长度； B 线圈所在磁场的磁感应强度；线圈所在磁场的磁感应强度； 线圈线圈有效匝数有效匝数 。 当传感器结构参数确定后，当传感器结构参数确定后，B、l、N均为定值，均为定值，故感应电动势故感应电动势e e与线圈相对运动速度与线圈相对运动速度v v成正比，所以这成正比，所以这类传感器的基本形式是类传感器的基本形式是速度型速度型传感器，能传感器，能直接测量线直接测量线速度速度。5.1.3 5.1.3 特性分析特性分析 磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测磁电感应式传感器是惯性式拾振器，适用于测量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要量动态物理量，因此动态特性是这种传感器的主要性能。其等效电路如下性能。其等效电路如下(L(L传感器线圈电感、线圈电阻传感器线圈电感、线圈电阻) )若在其测量电路中接入积分电路或微分电路，若在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量那么还可以用来测量位移位移或或加速度加速度。由上述工作原。由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量动态测量。 1 1、磁电式振动速度传感器、磁电式振动速度传感器 CD/BCD-21系系列列利利用用线线圈圈在在永永久久磁磁场场中中作作切切割割磁磁力力线线运运动动，产产生生与与振振动动速速度度成成正正比比的的电电压压信信号号。经经放放大大，微微分分或或积积分分运运算算可可测测振振动动速速度度、加加速速度度或或位位移移。灵灵敏敏度度高高难难度度、内内阻阻低低。在在机机械械振振动测试中被广泛采用。为使用方便，配有动测试中被广泛采用。为使用方便，配有CZ-3CZ-3磁座。磁座。 5.1.4 磁电感应式传感器应用磁电感应式传感器应用型号CD-1CD-2CD-4CD-7-CCD-7-SCD-8-FCD-21-2-CCD-21-2-SBCD-21灵敏度mv/m600300600600，600020200,280290频率范围Hz10500250023000.5202500101000101000最大可测位移1mm1.5mm7.5mm6mm1mm1mm最 大 可 测加速度m/s250100100，所以上式可简化为：所以上式可简化为：合理选取负载电阻合理选取负载电阻R RL L的阻值的阻值 当霍尔元件接有负载当霍尔元件接有负载R RL L时，如右图示，时，如右图示，在在R RL L上的上的电压为：电压为：式中：式中：R RO 0O 0-温度温度T=TT=T0 0时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相时，霍尔元件的输出电阻；其他符号含义如前相同。为使负载上的电压不随温度而变化，应使同。为使负载上的电压不随温度而变化，应使dUdUL L/d(T/d(TT T0 0) )0 0，即：即：采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用当霍尔元件采用稳压电源供电稳压电源供电，且霍尔元件输出开，且霍尔元件输出开路状态下工作时，可在输入回路中路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻串入适当的电阻来补来补偿温度误差。其分析过程与结果同式（偿温度误差。其分析过程与结果同式（5.175.17）。）。采用温度补偿元件采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）（如热敏电阻、电阻丝等）图图a)a)、b)b)、c)c)为霍尔元件具有为霍尔元件具有负温度系数负温度系数（温度升高，（温度升高，输出减小）时的补偿电路。输出减小）时的补偿电路。 图图d)d)为霍尔元件具有为霍尔元件具有正温度系数正温度系数时的补偿电路。时的补偿电路。采用桥路补偿电路采用桥路补偿电路图中图中R RP P用来补偿不等位电势，用来补偿不等位电势， R RX X是是热敏电阻热敏电阻，在霍尔元件输出，在霍尔元件输出端串接温度补偿电桥。端串接温度补偿电桥。 若将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成若将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大霍尔传感器，则性能优良、使用方便、体积小、成本低，输出功率大和输出电压高，应用比较广泛。和输出电压高，应用比较广泛。 桥路输出随温度变化的补桥路输出随温度变化的补偿电压，与霍尔元件输出的电偿电压，与霍尔元件输出的电压相加作为传感器的输出。压相加作为传感器的输出。5.2.5 5.2.5 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态特性好和寿命长等许多优点，因频带宽、动态特性好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。而得到广泛应用。 在电磁测量中，用它测量恒定或交变在电磁测量中，用它测量恒定或交变磁感磁感应强度应强度、有功功率有功功率、无功功率无功功率、相位相位、电能电能等等参数；在自动检测系统中，多用于参数；在自动检测系统中，多用于位移位移、压力压力和和转速转速测量。测量。 图图5.20 UGN3501M5.20 UGN3501M内部框图内部框图图图5.215.21霍尔磁感应强度测量电路霍尔磁感应强度测量电路电压表电压表稳压1 1、霍尔磁感应强度测量仪、霍尔磁感应强度测量仪 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。2 2、霍尔传感器测电流、霍尔传感器测电流(a)(a)图5.23霍尔开关电子点火器霍尔传感器磁钢图图5.22 5.22 数显霍尔电流表数显霍尔电流表2 2、霍尔传感器测电流、霍尔传感器测电流(b)ICIC1 1为为A/DA/D转换器转换器, ,内含液晶显示驱动电路。内含液晶显示驱动电路。3 3、霍尔开关电子点火器、霍尔开关电子点火器图图5.23 5.23 霍尔开关电子点火器霍尔开关电子点火器霍尔传感器磁钢4 4、霍尔元件在直流无刷电机中的应用、霍尔元件在直流无刷电机中的应用图图5.24 5.24 直流无刷电机霍尔开关电子换向直流无刷电机霍尔开关电子换向H1H4为开关型霍尔元件为开关型霍尔元件5、霍尔传感器测位移6、汽车速度测量5.3 5.3 压电式传感器压电式传感器n压电式传感器的工作原理是以某些晶体材压电式传感器的工作原理是以某些晶体材料的料的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在为基础，在外力作用下，在晶体材料的表面上能产生电荷，从而实现晶体材料的表面上能产生电荷，从而实现非电量转换和测量。非电量转换和测量。n压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些物物理理量量，例例如如力力、压力、加速度等。压力、加速度等。n压压电电式式传传感感器器具具有有许许多多优优点点：体体积积小小、结结构构简简单单，固固有有频频率率高高、响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏度度和和信信噪噪比比高高。近近年年由由于于电电子子技技术术的的发发展展，与与之之配配套套的的二二次次仪仪表表以以及及低低噪噪声声、小小电电容容、高高绝绝缘缘电电阻阻电电缆缆的的出出现现，使使压压电电传传感感器器的的使使用用更更为为方方便便。因因此此，在在工工程程力力学学、生生物物医医学学、石石油油勘勘探探、声声波波测测井井、电电声声学学等等许许多多技技术术领领域域中中获获得得了了广广泛泛的的应用。应用。n缺缺点点：一一般般无无静静态态输输出出，要要求求测测量量电电路路有有高高输输出出阻阻抗抗、电电缆缆电电容容要要低低等等，工工作作温温度度较较低低250250。5.3.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料n正正压压电电效效应应-某某些些晶晶体体（压压电电材材料料）（如如石石英英sio2，钛钛酸酸钡钡等等），在在受受到到外外力力作作用用时时，不不仅仅几几何何尺尺寸寸发发生生变变化化，而而且且内内部部极极化化，表表面面上上有有电电荷荷出出现现，形形成成电电场场，当当外外力力去去掉掉，表表面面又又恢恢复复到到原原来来状状态的现象。具有这种性质的材料称为压电材料。态的现象。具有这种性质的材料称为压电材料。 逆压电效应逆压电效应机械能机械能正压电效应正压电效应电能电能n逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）-若若把把压压电电材材料料放放置置在在电电场场中中，则则在在一一定定方方向向上上其其几几何何尺尺寸寸发发生生变变形形；当当外外电电场场撤撤去去，该该电电场场随随之之消失。这种现象称为逆压电效应。消失。这种现象称为逆压电效应。n所以说压电传感器是一种可逆型换能器。机械能所以说压电传感器是一种可逆型换能器。机械能电能。电能。 自然界大多数晶体材料都具有压电效应，作为敏感材料，自然界大多数晶体材料都具有压电效应，作为敏感材料，主要考虑以下性能：主要考虑以下性能：压电常数压电常数d d大大；机械强度、刚度高机械强度、刚度高；高高电阻率电阻率和和大介电系数大介电系数；具有；具有较高的居里点较高的居里点（压电效应不明（压电效应不明显时的温度）；对显时的温度）；对时间稳定性好时间稳定性好，等。，等。目前有四类可供选择的压电材料：目前有四类可供选择的压电材料： 单晶体（单晶体（压电单晶体压电单晶体） 多晶体（多晶体（压电陶瓷压电陶瓷） 压电半导体材料压电半导体材料 有机高分子压电材料有机高分子压电材料ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体( (a a) )理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 ( (b b) )坐标系坐标系ZYX石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。具有压电效应，是由其内部结构决定的。天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学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：中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中： 轴轴-机械轴机械轴。在电场中，。在电场中，沿该轴机械变形最明显；沿该轴机械变形最明显； 轴轴-称为称为电轴电轴，垂直此轴的面上，压电效应最强，垂直此轴的面上，压电效应最强； 轴轴-中性轴中性轴，该方向无压，该方向无压电效应，用光学方法确定该轴，电效应，用光学方法确定该轴，故称为故称为光轴光轴。图图5.26 5.26 石英晶体的切片石英晶体的切片 通常把沿电轴通常把沿电轴X X方向的力作用下产生电荷的压电效应方向的力作用下产生电荷的压电效应称为称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y Y方向的力作用下方向的力作用下产生电荷的压电效应称为产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。 晶体的许多特性取决于晶体的方向。为了利用石英晶体的许多特性取决于晶体的方向。为了利用石英晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片。方晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片。方法很多，常用的是法很多，常用的是X X切和切和Y Y切。切。 X X切切Y Y切切 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。 a) b) c) d)a) b) c) d)图图5.27 5.27 晶片受力方向与电荷极性的关系晶片受力方向与电荷极性的关系 切切：厚度边：厚度边/X/X轴，长度边轴，长度边/Y/Y轴，宽度边轴，宽度边/Z/Z轴。轴。切切：厚度边：厚度边/Y/Y轴，长度边轴，长度边/X/X轴，宽度边轴，宽度边/Z/Z轴。轴。多晶体多晶体（压电陶瓷）（压电陶瓷） 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体物物质质，是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料。将将原原料料粉粉碎碎、碾碾磨磨和和成成型型，在在10001000以以上上烧烧结结而而成成。它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度为零，见图（度为零，见图（a a）。）。 (a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后剩余极化强度直流电场直流电场E E剩余伸长电场作用下的伸长n机机械械能能与与电电能能转转换换关关系系用用压压电电方方程程来来描描述述。压压电电方方程程。有多种形式，常用的形式为：有多种形式，常用的形式为： d F (5.19) (5.19)式中：式中：F-F-压电元件所受外力；压电元件所受外力； Q-Q-相应表面产生的电荷。相应表面产生的电荷。 d-d-压电系数（与压电材料、切面方向有关）压电系数（与压电材料、切面方向有关） 此式的物理表现为：当压电元此式的物理表现为：当压电元件受到外力件受到外力F F作用时，在相应的表面作用时，在相应的表面会产生电荷。会产生电荷。5.3.2 5.3.2 工作原理工作原理 沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表面沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表面再镀上金属膜，如图再镀上金属膜，如图5.285.28，这便形成了常用压电式传感器的敏，这便形成了常用压电式传感器的敏感元件感元件-压电晶片压电晶片。 当压电晶片受到压力的作当压电晶片受到压力的作用时，分别在两个极板上积聚用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷。数量相等而极性相反的电荷。因此，压电传感器可以看作是因此，压电传感器可以看作是一个一个电荷发生器电荷发生器，也可以看成，也可以看成是一个是一个电容器电容器。式中：式中：h h压电片厚度；压电片厚度； S S 极板面积；极板面积； 相对介质介电常数；相对介质介电常数； 0 0 真空中的介电常数，其值为真空中的介电常数，其值为8.88.8551010-12-12 F/mF/m； r r 压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。其电容量其电容量a a为为: :这样，可把压电晶片等效成一个与电容相并联的这样，可把压电晶片等效成一个与电容相并联的电荷源电荷源，图图5.29a5.29a，也可以等效为一个，也可以等效为一个电压源电压源，UaUa=Q/Ca=Q/Ca，图，图5.29b5.29b。a)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 图图5.29 5.29 压电晶片的等效电路压电晶片的等效电路 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电缆电容C CC C，放大器的放大器的输入电阻输入电阻R Ri i 和和输入电容输入电容C Ci i以及传感器的以及传感器的泄漏电阻泄漏电阻R Ra a。下图画出了压电传感下图画出了压电传感器完整的等效电路。器完整的等效电路。a)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 图图5.30 5.30 压电晶片测试系统的等效电路压电晶片测试系统的等效电路 Ua 实际设计中，压电晶片常用两片或多片组合在一起使用。实际设计中，压电晶片常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种接法。由于压电材料是有极性的，因此存在并联和串联两种接法。并联接法并联接法（如图（如图a） 特征：两压电晶片的结构形式不同，上、下两极板通过特征：两压电晶片的结构形式不同，上、下两极板通过导线连接，两片晶片中间一般加铜片或银片作为引出电极。导线连接，两片晶片中间一般加铜片或银片作为引出电极。 并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以适用于测量缓变信号，并以电荷量电荷量作为输出的场合。作为输出的场合。串联接法串联接法（如图（如图b b） 特征特征：两压电晶片的结构形式相同，引线分别从两片压电：两压电晶片的结构形式相同，引线分别从两片压电晶片引出。上晶片负电荷和下晶片正电荷相消。晶片引出。上晶片负电荷和下晶片正电荷相消。 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压电压作为作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。另外需注意：压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预另外需注意：压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。 5.3.3 5.3.3 测量电路测量电路 压电式传感器的内阻很高，输出电信号很微弱，通常应把传感器信压电式传感器的内阻很高，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号先输入到高输入阻抗的前置放大器前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。后续显示仪表中。 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。 前置放大器有两个前置放大器有两个作用作用：把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；把传感器的微弱信号进行放大。把传感器的微弱信号进行放大。 用于压电传感器的前置放大器也有两种形式：用于压电传感器的前置放大器也有两种形式：电压放大器电压放大器：其输出电压与输入：其输出电压与输入电压电压（传感器输出电压）成正比；（传感器输出电压）成正比；电荷放大器电荷放大器：其输出电压与输入：其输出电压与输入电荷电荷（传感器输出电荷）成正比。（传感器输出电荷）成正比。、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中中C CF F 和和R RF F 分别为放大器的反馈电容、电阻。分别为放大器的反馈电容、电阻。图图5.32 5.32 压电传感器与电荷放大器连接等效电路压电传感器与电荷放大器连接等效电路当运算放大器的当运算放大器的放大倍数足够大放大倍数足够大，而且当，而且当工作频率足工作频率足够高够高时，输出电压为：时，输出电压为： U0Q/CF （5.215.21） 输出电压输出电压U0只取决只取决于于Q和和CF。压电元件本身的电容大小和压电元件本身的电容大小和电缆长短将不影响电缆长短将不影响或极少影响或极少影响电荷放大器的输出电荷放大器的输出-这就是电荷放大器的突出优点之一。这就是电荷放大器的突出优点之一。不加证明，直接给出电荷放大器的另一个优点：电荷放不加证明，直接给出电荷放大器的另一个优点：电荷放大器的低频截止频率是电压放大器的大器的低频截止频率是电压放大器的1/A1/A，而，而A A较大，显然较大，显然电电荷放大器的低频截止频率远比电压放大器低很多荷放大器的低频截止频率远比电压放大器低很多。 a) b)a) b) 压电传感器接电压放大器的等效电路压电传感器接电压放大器的等效电路、电压放大器、电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a a所示。所示。图图b b是压电晶片简化后的等效电路。其中，是压电晶片简化后的等效电路。其中，u ui i为电压放大为电压放大器输入电压；器输入电压；R=RR=Ra a/R Ri i ; ;C=C=C CC C+C+Ci i；u ua a= =Q Q/ /C Ca a 。 如果压电传感器受交变力：如果压电传感器受交变力：f f = = F Fm msinsintt 则在压电元件上产生的电压为：则在压电元件上产生的电压为： (d(d为压电系数为压电系数) ) u ua a=Q/=Q/C Ca a =( =(d dF Fm m/ /C Ca a)sin)sintt= U= Um m sinsintt幅值：幅值：可推导出送入放大器输入端的电压为可推导出送入放大器输入端的电压为：注意：此式中的注意：此式中的F F为输入，为输入， 为等效电路的输出（放大器的输入），为等效电路的输出（放大器的输入）， 为输入力的变化频率。为输入力的变化频率。可表示成另一种形式可表示成另一种形式-幅值和相位差：幅值和相位差：放大器输入电压与输入力放大器输入电压与输入力F之间的相位差为：之间的相位差为：当当时，则放大器输入端电压的幅值为：时，则放大器输入端电压的幅值为：这时，传感器的电压灵敏度为这时，传感器的电压灵敏度为此式表明：由于电缆电容此式表明：由于电缆电容C Cc c及放大器输入电容及放大器输入电容C Ci i的存在，使的存在，使k ku u。如果如果更换电缆，则更换电缆，则C Cc c变化，使变化，使k ku u也变化。因此也变化。因此更换电缆长度，则必须重新校更换电缆长度，则必须重新校正传感器的电压灵敏度值。正传感器的电压灵敏度值。1 1、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器（）加速度传感器结构（）加速度传感器结构5.3.4 5.3.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 目前多用于测量目前多用于测量加速度加速度和和动态力或压力动态力或压力。 微振动测试仪电路图Q0传感器的电荷C0传感器静电容Ce电缆静电容（）压电式加速度传感器测量电路（）压电式加速度传感器测量电路产品加速度计理论模型压电式单向测力传感器结构图晶片电子束焊接上盖绝缘套基座电极2 2、压电式测力传感器、压电式测力传感器压电式压力传感器的结构消除振动加速度影响的结构