压电石英称重传感器的工作原理
上海坤科仪器设备有限公司 / 2014-10-15
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压电石英称重传感器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置。
现以一个 X 切割的石英晶体圆片为例，计算它的电荷、电压。石英晶体圆片如图 3 所示。
设石英晶体圆片直径为d，厚度为t。当 石英晶体圆片沿X轴方向受外力Fx作用时，
在垂直于Fx的平面上产生电荷，而且其外力与产生的电荷存在线性关系。
Qx = d11 Fx （C）
式中：Qx—石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷
d11—石英晶体的纵向压电模数，d11=2.31PC/N
两个表面之间的电压Ux为：
Ux=Qx/Cx=d11Fx/Cx （V）
式中：Cx—石英晶体圆片的电容量
Cx=επd2/4t （F）
ε—石英晶体的介电系数。
将 X 切割的石英晶体片加工成称重传感器壳体所需要的外形和尺寸，按要求连同电极板一起装入壳体内，施加足够的预紧力后，采用圆膜片与壳体焊接密封。当称重传感器受外载荷作用时，石英晶体圆片产生电荷，由电极板收集传至信号输出插座，再由低噪声的同轴电缆传输到电荷放大器（带有电容反馈的运算放大器），经灵敏度归一化后，按比例的转换成电压输出。或放大器为重量信号的模拟—数字转换提供必要的驱动，并将此信号传输到计算机，然后用专用的软件将其转换为重量。为了减小电荷的泄漏，放大器的输入端要有很高的绝缘电阻，通常要求大于 10TΩ。电荷放大器的量程（与转换系数有关）由反馈电容确定，通常称为量程电容。通过测得的电压值，就可得到所测载荷的大小。
利用石英晶体制造称重传感器时，石英晶体片有并联和串联连接两种方法。
并联连接：两个压电石英晶体片按极化 方向相反粘结，负电荷集中在中间的负电极板上，正电荷在两端的正电极板上。这时相当于两个电容器并联，输出电极板上的电荷和电容量将增加一倍，如图 4 所示。
如果有 n 个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加 n 倍，电荷灵敏度也增加 n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。n 个石英晶体片并联所产生的电荷为：
Qx=ndllFx （C）
串联连接：两个石英晶体片按极化方向相同粘结，于是在两个石英晶体片粘结处的中间电极板上正负电荷相互抵消，这时总电容量为单个石 英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总 电荷量则不变，如图 5 所示。
若 n 个石英晶体片串联连接，由于输出电压增加 n 倍，因此电压灵敏度也增加 n 倍，而电荷灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。
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