压电加速传感器应用电路分析

李闫臻

【摘 要】压电加速传感器是利用压电效应测量动态应力的一类传感器，主要应用于加速度、压力、力的测量中，被广泛应用于现代工业与自动化生产过程的非电物理量的测量和控制技术可。本文分析了压电加速传感器的测量电路，提出了一种新型的测量电路设想，有一定理论价值。

【关键词】压电加速传感器；测量电路；应用电路

0.引言

在现代工业和自动化生产中，需要大量非电物理量的测量以及过程控制，其中涉及到大量动态测量问题，压电加速传感器利用压电效应，可以有效的测量加速度、压力、力等参数，被广泛应用于现代工业和自动化生产中，但压电加速传感器所产生的电荷量很小，如果采用一般测量电路工作，输入阻抗过小会造成电阻迅速泄漏产生测量误差，因此必须有与之配套的测量电路，才能保证压电加速传感器的工作可靠性。目前一般采用电荷放大器作为压电加速传感器的测量电路，但这种电荷放大器电路较为复杂，性价比不高且稳定性不强。下面，本文拟采用TL081运放芯片优化压电加速传感器的测量电路，以简化电路降低功耗，降低压电加速传感器测量电路的制作与调试成本，促进压电加速传感器的推广运用。

1.压电加速传感器的电输出特性

1.1晶体压电效应

某些晶体在受到外力作用时，其内部产生极化现象并在表面产生相反的电荷，当外力消失后又会回复至不带电状态，外力作用方向发生变化时，所产生电荷极性会随之改变，同时所产生的电荷与外力大小成正比关系，这种现象称为压电效应，压电加速传感器正是利用晶体的这种压电效应作为转换原理进行工作的自发式传感器。

1.2压电加速传感器的工作原理

压电加速传感器的结构可以简化为质量块、压电元件、支座三个部分，支座直接与待测物刚性固定，待测物运动时支座会与待测物一起运动，处于中间的压电元件因质量块和支座的原因，受到惯性力的作用而在晶体表面产生交变电荷。在振动频率处于一定范围时，该电荷的大小与作用力成正比。电信号经放大器放大后，即可利用一般的测量仪器来测量电荷的大小，再对比转化为物体加速度。

1.3压电加速传感器的测量电路

由于压电加速传感器内阻很高，所产生的电信号十分微弱，很难直接对该电信号进行显示和记录，必须进行阻抗变换和信号放大处理。目前，一般采用增加前置放大电路的方法，一方面将微弱的电信号方大， 另一方面将高阻抗变为低阻抗。由于压电传感器的等效电路有电压输出和电荷输出两种，因此前置放大电路也有电压放大和电荷放大两种。电压放大器将高阻抗变为低阻抗，同时将电压信号放大；电荷放大器则是将输出电压正比于输入电荷。

2.电荷放大器电路分析

2.1电荷放大器基本原理分析

压电加速传感器测量电路中所使用的电荷放大器，实际上是一种负反馈放大电路，通过电荷放大器，能获得同输入电荷成比例的输出电压，将高内阻电荷源转化为低内阻电压源。电路输入电缆长度和运算放大器频响都会对电荷放大器的频率上限产生影响，如果输入电缆过长，将会增加杂散电容和导线自身电阻，从而对放大器的高频特性产生不良影响。

2.2电荷放大器电路分析

电荷放大器一般包括电荷转换元件、适调放大器元件、滤波器、过载指示器、稳压电源等几个部分。电荷转换元件是电荷放大器的核心元件，将压电传感器的电荷信号转化为电压信号，在理想情况下电荷转换元件部分电路的输入电阻应当达到无穷大。目前所采用的集成高阻输入级运放，其输入阻抗已经可达1012Ω，有效降低了场效应管的需要，极大的简化了电荷转化元件。T1081芯片输入阻抗为1012Ω，同时还集成了内部调零电路，能有效的满足电荷转换元件输入电阻的需要，可以有效的提高电荷转换电路集成度，并降低系统成本。不过，为了保证测量精度，其反馈电容的精度必须保证在0.5%以下，一般采用精密聚苯乙烯电容。

2.3电荷放大器噪音干扰和漂移分析

电荷放大器对噪音干扰极为敏感，其主要干扰源主要存在于分布电容耦合至输入端，以及电缆引入线。当50赫兹市电通过分布电容耦合至输入端以及电缆引起入线时，会产生极大的干扰信号，因此必须在电荷放大器输入端做好屏蔽以等效交流干扰源。此外，电荷放大器对漂移也极为敏感，电荷放大器的漂移主要来源于输入电路存在的失调电压和失调电流，在构建电路时，一般在放大器级间增加隔真电容，以减少直流漂移，最终实现电荷放大器的零漂移。

2.4电荷放大器低通滤波元件分析

压电加速传感器实际上是一个阻尼振动系统，其高频段存在一个极高的共振峰，会造成高频噪声，使输入信号失真并形成干扰。为了避免高频噪声所造成的信号失真和干扰效应，需要在电荷放大器中增加低通滤波器，从而补偿高频幅频。此外，不少系统的电荷放大器设计通频带一般都高于实际需要，无用的高频频带也会对低频测量带来负面影响，利用低通滤波器可以使无用高频分量衰减，而让低频交流分量顺利通过。目前所使用的滤波器有LC和RC两类，无源RC线路简单，具有较好的抗干扰性，低频范围工作性能较好，但其阻抗频率的谐振性能较差，在使用中需要增加运算放大器等有源元件构成有源RC低通滤波系统。

2.5输出放大电路分析

输出放大电路包括高通滤波和同相电压放大两部分，在电荷转换时电路直流放大倍数极大，使得输出零点跳动增加，同时还存在直流漂移的影响，因此必须在低通滤波系统后面增加一个高通滤波系统，以减去直流漂移的影响。但增加了高通滤波系统后信号会产生衰减，同时整机的增益还需改变，因此还需要在高通滤波系统后面增加同相电压放大器，以保证输出信号与压电加速传感器输出信号同相位。

2.6稳压电源和过载指示电路分析

在压电加速传感系统中，需要先将军220V市电转化为了20V交流，再将20V交流进行整流，最终再将整流的电压接入作为供电电源。为了避免整流后的直流电压纹波电压的影响，需要在电源端接入滤波电容，以避免纹波电压的干扰。过载指示电路则是为了监视电荷放大器的工作状态，当电压过载时发出指示信号。

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