低频荷载下PVDF压电薄膜检测电路的研究

孙晶晶，宋寿鹏，鲍业如，王希飞，刘文龙

(江苏大学 仪器科学与工程系，江苏 镇江 212013)



低频荷载下PVDF压电薄膜检测电路的研究

孙晶晶，宋寿鹏，鲍业如，王希飞，刘文龙

(江苏大学 仪器科学与工程系，江苏 镇江 212013)

针对PVDF压电薄膜传感器内阻大、低频荷载下输出信号微弱以及易受外界噪声干扰的问题，设计了一种由双电容负反馈差分电荷放大电路和二阶低通滤波电路组成的检测电路。在0.2 ～20 Hz低频荷载下分别用该检测电路和传统检测电路对PVDF压电薄膜传感器进行检测，并将实验结果进行了对比分析。结果表明，该检测电路的输出电压幅值提高了90%，且具有较强的抗干扰能力，能降低后级电路信号处理的难度。

PVDF压电薄膜；低频；电荷放大电路；滤波电路

PVDF薄膜厚度通常为几十μm，用其制成的传感器响应较快(ns量级)，灵敏度较高，在0～20 GPa范围内均有较好的信号输出[1-3]。但由于PVDF传感器内阻大，且低频输出信号微弱[4-5]。因此，PVDF薄膜传感器低频荷载条件下的测试存在以下不足：(1)输入电荷易通过放电回路泄露；(2)电荷放大电路的输入阻抗较高易受外界干扰，从而使电荷放大器引入共模干扰。传统的电荷放大电路对输入电荷不能完全积累且有用信号中混入较多的噪声。本文使用的双电容负反馈差分电荷放大电路，增加了电荷的积累量，同时也能抑制共模干扰，提高了PVDF薄膜传感器低频荷载条件下的测量精度。

1 电路设计

1.1 电荷放大器

PVDF薄膜传感器的输出阻抗较高，为实现将高输出阻抗变为低输出阻抗，且放大输出的微弱信号，需要在检测电路中接入电荷放大电路[6-8]。PVDF与电荷放大器构成的等效电路如图1所示。

图1 PVDF与电荷放大器构成的等效电路

忽略噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为

(1)

式中，Cs为压电传感器的等效电容；Rs为压电式传感器的等效绝缘漏电阻；Cc为电缆等效电容；Ci和Ri分别为运算放大器的输入电容和输入阻抗；Cf为反馈电容；Rf为反馈电阻；Q为输入电荷。

Cf、Rf等效到放大器的输入端时，等效电阻为R/(1+K)；等效电容为C(1+K)；K为运放的开环增益；ω为传感器供电角频率；运算放大器K较大(约104～106)，(1+K)/Rf≫1/Rs+1/Ri，(1+K)/Cf≫Cs+Cc+Ci，Ci、Cc、Cs、Ri和Rs忽略不计，则有

(2)

本文使用双电容差分电荷放大电路，与传统的具有单电容负反馈电荷放大电路相比，能使压电传感器的输出电荷在负反馈上完全积累，同时能抑制共模干扰。

1.2 模型建立与仿真

为证明电路中混有的共模干扰对电路信号的输出影响及电路的抗干扰性能，用Multisim对单电容负反馈及双电容负反馈的电荷放大电路分别仿真。

图2(a)是单电容负反馈电荷放大电路的仿真模型。I1和I4模拟共模干扰信号；I2和I3为压电薄膜传感器输出信号；C3为传感器等效电容及电缆等效电容之和。仿真结果如图2(c)所示，由于共模干扰的影响，电荷放大电路的输出信号为有用信号及共模干扰信号的叠加。

双电容负反馈差分电荷放大电路仿真电路模型，如图2(b)所示，仿真结果如图2(d)所示。通过对比图2中(d)与图2(c)发现，差分电荷放大电路较好地抑制了共模干扰信号。

图2 电路模型及仿真结果

1.3 测试电路图

由于在实验中测试的是低频信号，因此在电荷放大电路后接入二阶低通滤波电路来衰减信号中高频噪声。选取较低的截止频率，同时也可扩大应变的变化范围，亦可大幅提高检测准确性。在二阶低通滤波电路中，当fc=50Hz时，取C3=C4=0.1μF，R9=R10=32kΩ，R11=R12=128kΩ，测试整体电路如图3所示。

图3 测试电路原理图

2 实验与结果分析

本文先通过信号发生器产生标准的低频正弦信号的激励方式来激振悬臂梁实现PVDF薄膜传感器的结构应变，其受力产生电荷，接入双电容负反馈电荷放大电路、二阶低通滤波电路进行电荷放大和滤波。系统原理框图如图4所示。

图4 系统原理框图

实验所检测的对象是尺寸为10mm×23mm的PVDF压电薄膜传感器(压电常数d31=21pC·N-1，杨氏模量3 000Mpa)，实验系统如图5所示。

图5 实验系统

实验所检测的信号是动态信号，为保证信号经过检测系统后不失真、不发生畸变。设置信号发生器输出正弦波信号，幅值控制在1～3V之间。

为减小实验误差，对PVDF压电薄膜传感器进行多次检测，并记录下激励频率为0.2Hz、0.5Hz、1Hz、15Hz时的单电容负反馈电荷放大电路和双电容负反馈电荷放大电路的输出电压幅值的平均值，如表1所示。可以看出，双电容负反馈电荷放大电路输出电压幅值小于单电容负反馈电荷放大电路输出电压幅值的2倍，因单电容负反馈电荷放大电路输出信号中混入噪声干扰信号，使得其输出电压幅值偏大。由此可知,设计的电路有效地消除了共模噪声的干扰，且输出电压幅值有较大的提高。

表1 不同频率下对应的输出电压幅值

3 结束语

根据压电薄膜传感器在低频荷载下的输出特点，本文设计的双电容负反馈差分电荷电路有效地降低了共模干扰，增强了电路的稳定性和可靠性，且降低了后级电路信号处理的难度。

[1] 晏伯武.基于PVDF薄膜传感器及其应 用研究[J].数字技术与应用,2014(12):107-110.

[2] 王利恒,周锡元.PVDF传感器动态压电特性的试验研究[J].工业建筑,2006, 36(3):55-58.

[3] 袁人枢,隋世群.脉冲压力条件下PVDF压电薄膜的动态响应特性[J].仪表技术与传感器,2011(8):4-6

[4] 靳亚静.PVDF动态特性研究与键盘应用设计[D].大连:大连理工大学,2010.

[5] 卢超.PVDF型脉搏传感器信号处理电路的设计[J].齐齐哈尔大学学报,2009,25(6):6-10.

[6]XuKejun,HuangYunzhi,LvXunhong.Power-spectrum-analysis-basedsignalprocessingsystemofvortexflowmeters[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,2006,55(3):1006-1011.

[7] 潘奇,万舟,易士琳.基于PVDF的三维力机器人触觉传感器的设计[J].传感技术学报,2015,28(5):648-653.

[8] 马超哲,杜劲松,刘意杨.基于PVDF的微力传感器设计[J].制造业自动化,2015,37(4):148-150.

[9] 李黎,朱嘉林.小体积高性能电荷放大器的研制[J].电子元件与材料,2014,33(4):52-55.

[10] 张青春.高阻运放CA3140在压电式加速度传感器信号调理电路中的应用[J].制造业自动化,2012, 34(12):120-122.

[11] 辛毅,杨庆雨,郑浩田,等.PVDF触滑觉传感器结构及其调理电路的设计[J].压电与声光,2014,36(1):76-78.

[12] 孙颖奇,李保庆,马剑强,等.低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究[J].压电与声光,2013,35(6):833-836.

Research on PVDF Piezoelectric Film Detecting Circuit in Low Frequency Load

SUN Jingjing，SONG Shoupeng，BAO Yeru，WANG Xifei，LIU Wenlong

(Department of Instrument Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

A detecting circuit consisted of differential charge amplifier circuit with two capacitances feedback and two order low pass filter circuit is designed to solve the problem of high impedance of PVDF piezoelectric film sensor, weak output signal in low frequency load and being easily interrupted by external noise. An experiment of PVDF piezoelectric film sensor in low frequency load of 0.2～20 Hz is done in this thesis. The results of the above circuit and traditional circuit are compared. Results show that output voltage amplitude increases 90% and there is strong anti-interference ability using above circuit. Subsequent circuit is easier to process signal.

PVDF piezoelectric film; low frequency; charge amplifier circuit; filter circuit

2016- 01- 11

孙晶晶(1988-)，女，硕士研究生。研究方向： 智能仪器。宋寿鹏(1967-)，男，博士，教授。研究方向：超声波检测新原理及检测设备。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.012

TN722.7

A

1007-7820(2016)11-038-03