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  高分子压电材料的应用   1. 玻璃打碎报警装置   将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。   粘贴位置 高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器 质量块   将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10?20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。   使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。         将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。 2.交通监测  高分子压电电缆的应用演示   将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。               但是，当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数τ。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得 因为ωR  1，故上式可以近似为 可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。 电压幅值比和相角与频率比的关系曲线如图。  实际输入电压幅值Uim与理想条件下的幅值Uam之比为 令ωn=1/τ=1/R(Ca+Cc+Ci) ，则   根据以上公式，对采用电压前置放大器的压电传感器电路，分析如下。 （1）?=0时，Ui=0，说明压电传感器不能测静态量。 （2）当ω/ωn  1（一般满足ω/ωn?3即可）时，Uim=Uam，即输入前置放大器的电压与作用力的频率无关。这说明压电式传感器的高频响应相当好，这是压电式传感器的一个突出优点。   （3）如果被测物理量是缓慢变化的动态量（?很小），而测量回路的时间常数τ又不大，则造成传感器灵敏度下降，低频动态误差为                                    压电式传感器的?3dB截止频率下限为（取          ）                                      一般情况下可实现fL?1Hz，低频响应也较好。      （4）为了满足阻抗匹配的要求，压电式传感器一般都采用专门的前置放大器。电压前置放大器（阻抗变换器）因其电路不同而分为几种型式，但都具有很高的输入阻抗（109Ω以上）和很低的输出阻抗（小于102Ω）。  解决电缆分布电容问题的办法是将放大器装入传感器之中，组成一体化传感器，如图      （5）电压前置放大器电缆长度对传感器测量精度的影响较大。因为，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而放大器的输入电压Uim也随之变化，进而使前置放大器的输出电压改变。 因此，压电式传感器与前置放大器之间的连接电缆不能随意更换。如有变化时，必须重新校正其灵敏度，否则将引入测量误差。 2、电荷前置放大器 电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此它也能起着阻抗变换的作用，其输入阻抗可高达1010~1012Ω，而输出阻抗可小于100Ω。 电荷放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益放大器，其等效电路如图所示。若放大器的开环增益A足够大，则放大器的输入端a点的电位接近于“地”电位；并且由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，放大器的输入阻抗很高。所以放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近于放大器的输出电压：  式中，Uo—放大器输出电压；  —反馈电容两端电压。 压电式传感器与电荷放大器连接的基本电路及等效电路如下。    电荷前置放大器基本电路                电荷前置放大器等效电路 由“虚地”原理可知，将反馈电容Cf和电阻Rf折合到放大器输入端： 根据等效电路得放大器输出为      对电荷前置放大器电路的特性，讨论如下。 （1）当A足够大，且频率足够高时，满足(1+A)Cf   （Ca+Cc），1/(1+A)Rf＞＞1/Ra，和ωCf ＞＞1/Rf，放大器输出电压即为   可见输出电压只取决于输入电荷Q和反馈电容Cf，改变Cf的大小即可得到所需的电压输出。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测物理量的不同量程，以及后级放大器不致因输入信号太大而引起饱和，反馈电容Cf的容量是可调的，一般在100~104pF范围之间。 （2）当频率足够高时，式 变为: 可见运算放大器的开环放大倍数A对精度有影响，相对误差为： 例如，要求输出误差δ≤1%，由上式计算可得A＞105。对线性集成运算放大器来说，这一要求是容易达到的。       （3）电荷放大器通常在反馈电容的两端并联一个大的反馈电阻Rf=108～1010Ω，其功能是提供直流反馈，以提高电荷放大器工作稳定性和减小零漂。当工作频率很低，但放大倍数A仍足够大，式  变为: 表明，输出电压不仅与有关，而且与反馈网络的元件参数Cf 、Rf和传感器信号频率ω有关，其幅值为:      当1/Rf=ωCf时，有					     	 可见压电式传感器配用电荷放大器时，其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数Rf和Cf，其中Cf的大小可以由所需要的电压输出幅度决定，当给定工作频带下限截止频率fL时,反馈电阻Rf值可由下限截止频率公式计算确定。 此时放大器输出电压仅为高频时输出的     ，由此可得电荷放大器增益下降3dB的下限截止频率为: 低频时，输出电压与输入电荷之间的相位差为                               在截止频率fL处φ =45°。 四通道电荷放大器外形           . 灵 敏 度：0.1～1000mV/pC；   频率范围：0.3～100KHz； 准 确 度：1%；   最大输出：±10V/10mA； 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5μV； 电????源：220V/50Hz；控制方式：?计算机或手动 超小型电荷放大器模块        主要指标:???????灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档)???????频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)???????噪声(最大灵敏度)：输出端小
第5章压电式传感器.ppt