李閆臻

【摘 要】壓電加速傳感器是利用壓電效應(yīng)測量動態(tài)應(yīng)力的一類傳感器，主要應(yīng)用于加速度、壓力、力的測量中，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)與自動化生產(chǎn)過程的非電物理量的測量和控制技術(shù)可。本文分析了壓電加速傳感器的測量電路，提出了一種新型的測量電路設(shè)想，有一定理論價值。

【關(guān)鍵詞】壓電加速傳感器；測量電路；應(yīng)用電路

0.引言

在現(xiàn)代工業(yè)和自動化生產(chǎn)中，需要大量非電物理量的測量以及過程控制，其中涉及到大量動態(tài)測量問題，壓電加速傳感器利用壓電效應(yīng)，可以有效的測量加速度、壓力、力等參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和自動化生產(chǎn)中，但壓電加速傳感器所產(chǎn)生的電荷量很小，如果采用一般測量電路工作，輸入阻抗過小會造成電阻迅速泄漏產(chǎn)生測量誤差，因此必須有與之配套的測量電路，才能保證壓電加速傳感器的工作可靠性。目前一般采用電荷放大器作為壓電加速傳感器的測量電路，但這種電荷放大器電路較為復(fù)雜，性價比不高且穩(wěn)定性不強。下面，本文擬采用TL081運放芯片優(yōu)化壓電加速傳感器的測量電路，以簡化電路降低功耗，降低壓電加速傳感器測量電路的制作與調(diào)試成本，促進壓電加速傳感器的推廣運用。

1.壓電加速傳感器的電輸出特性

1.1晶體壓電效應(yīng)

某些晶體在受到外力作用時，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象并在表面產(chǎn)生相反的電荷，當(dāng)外力消失后又會回復(fù)至不帶電狀態(tài)，外力作用方向發(fā)生變化時，所產(chǎn)生電荷極性會隨之改變，同時所產(chǎn)生的電荷與外力大小成正比關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，壓電加速傳感器正是利用晶體的這種壓電效應(yīng)作為轉(zhuǎn)換原理進行工作的自發(fā)式傳感器。

1.2壓電加速傳感器的工作原理

壓電加速傳感器的結(jié)構(gòu)可以簡化為質(zhì)量塊、壓電元件、支座三個部分，支座直接與待測物剛性固定，待測物運動時支座會與待測物一起運動，處于中間的壓電元件因質(zhì)量塊和支座的原因，受到慣性力的作用而在晶體表面產(chǎn)生交變電荷。在振動頻率處于一定范圍時，該電荷的大小與作用力成正比。電信號經(jīng)放大器放大后，即可利用一般的測量儀器來測量電荷的大小，再對比轉(zhuǎn)化為物體加速度。

1.3壓電加速傳感器的測量電路

由于壓電加速傳感器內(nèi)阻很高，所產(chǎn)生的電信號十分微弱，很難直接對該電信號進行顯示和記錄，必須進行阻抗變換和信號放大處理。目前，一般采用增加前置放大電路的方法，一方面將微弱的電信號方大， 另一方面將高阻抗變?yōu)榈妥杩?。由于壓電傳感器的等效電路有電壓輸出和電荷輸出兩種，因此前置放大電路也有電壓放大和電荷放大兩種。電壓放大器將高阻抗變?yōu)榈妥杩?，同時將電壓信號放大；電荷放大器則是將輸出電壓正比于輸入電荷。

2.電荷放大器電路分析

2.1電荷放大器基本原理分析

壓電加速傳感器測量電路中所使用的電荷放大器，實際上是一種負反饋放大電路，通過電荷放大器，能獲得同輸入電荷成比例的輸出電壓，將高內(nèi)阻電荷源轉(zhuǎn)化為低內(nèi)阻電壓源。電路輸入電纜長度和運算放大器頻響都會對電荷放大器的頻率上限產(chǎn)生影響，如果輸入電纜過長，將會增加雜散電容和導(dǎo)線自身電阻，從而對放大器的高頻特性產(chǎn)生不良影響。

2.2電荷放大器電路分析

電荷放大器一般包括電荷轉(zhuǎn)換元件、適調(diào)放大器元件、濾波器、過載指示器、穩(wěn)壓電源等幾個部分。電荷轉(zhuǎn)換元件是電荷放大器的核心元件，將壓電傳感器的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，在理想情況下電荷轉(zhuǎn)換元件部分電路的輸入電阻應(yīng)當(dāng)達到無窮大。目前所采用的集成高阻輸入級運放，其輸入阻抗已經(jīng)可達1012Ω，有效降低了場效應(yīng)管的需要，極大的簡化了電荷轉(zhuǎn)化元件。T1081芯片輸入阻抗為1012Ω，同時還集成了內(nèi)部調(diào)零電路，能有效的滿足電荷轉(zhuǎn)換元件輸入電阻的需要，可以有效的提高電荷轉(zhuǎn)換電路集成度，并降低系統(tǒng)成本。不過，為了保證測量精度，其反饋電容的精度必須保證在0.5%以下，一般采用精密聚苯乙烯電容。

2.3電荷放大器噪音干擾和漂移分析

電荷放大器對噪音干擾極為敏感，其主要干擾源主要存在于分布電容耦合至輸入端，以及電纜引入線。當(dāng)50赫茲市電通過分布電容耦合至輸入端以及電纜引起入線時，會產(chǎn)生極大的干擾信號，因此必須在電荷放大器輸入端做好屏蔽以等效交流干擾源。此外，電荷放大器對漂移也極為敏感，電荷放大器的漂移主要來源于輸入電路存在的失調(diào)電壓和失調(diào)電流，在構(gòu)建電路時，一般在放大器級間增加隔真電容，以減少直流漂移，最終實現(xiàn)電荷放大器的零漂移。

2.4電荷放大器低通濾波元件分析

壓電加速傳感器實際上是一個阻尼振動系統(tǒng)，其高頻段存在一個極高的共振峰，會造成高頻噪聲，使輸入信號失真并形成干擾。為了避免高頻噪聲所造成的信號失真和干擾效應(yīng)，需要在電荷放大器中增加低通濾波器，從而補償高頻幅頻。此外，不少系統(tǒng)的電荷放大器設(shè)計通頻帶一般都高于實際需要，無用的高頻頻帶也會對低頻測量帶來負面影響，利用低通濾波器可以使無用高頻分量衰減，而讓低頻交流分量順利通過。目前所使用的濾波器有LC和RC兩類，無源RC線路簡單，具有較好的抗干擾性，低頻范圍工作性能較好，但其阻抗頻率的諧振性能較差，在使用中需要增加運算放大器等有源元件構(gòu)成有源RC低通濾波系統(tǒng)。

2.5輸出放大電路分析

輸出放大電路包括高通濾波和同相電壓放大兩部分，在電荷轉(zhuǎn)換時電路直流放大倍數(shù)極大，使得輸出零點跳動增加，同時還存在直流漂移的影響，因此必須在低通濾波系統(tǒng)后面增加一個高通濾波系統(tǒng)，以減去直流漂移的影響。但增加了高通濾波系統(tǒng)后信號會產(chǎn)生衰減，同時整機的增益還需改變，因此還需要在高通濾波系統(tǒng)后面增加同相電壓放大器，以保證輸出信號與壓電加速傳感器輸出信號同相位。

2.6穩(wěn)壓電源和過載指示電路分析

在壓電加速傳感系統(tǒng)中，需要先將軍220V市電轉(zhuǎn)化為了20V交流，再將20V交流進行整流，最終再將整流的電壓接入作為供電電源。為了避免整流后的直流電壓紋波電壓的影響，需要在電源端接入濾波電容，以避免紋波電壓的干擾。過載指示電路則是為了監(jiān)視電荷放大器的工作狀態(tài)，當(dāng)電壓過載時發(fā)出指示信號。

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