導(dǎo)語(yǔ)：壓電傳感器電路設(shè)計(jì)探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為了提高壓電傳感器的固有頻率，減小傳感器的體積，采用高輸入阻抗的儀表放大器，設(shè)計(jì)研究了用于壓電傳感器的放大電路，通過(guò)改變放大電路輸入回路偏置電阻的電阻值，得到了比常規(guī)方法更加簡(jiǎn)單、有效的簡(jiǎn)單放大電路，實(shí)現(xiàn)了小體積下的一體化壓電傳感器較好的頻率響應(yīng)和良好的線性度。

關(guān)鍵詞：壓電；傳感器；電路設(shè)計(jì)

壓電傳感器是用于動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器，雖有低頻響應(yīng)差、不能測(cè)量靜態(tài)信號(hào)的缺點(diǎn)，但與壓阻傳感器相比，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、頻響寬的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于壓力、位移、速度、加速度及沖擊信號(hào)的測(cè)量。壓電傳感器的輸出信號(hào)微弱、且輸出阻抗很高，不能使用一般的運(yùn)算放大器作為壓電傳感器的信號(hào)放大電路。以往的壓電傳感器放大電路[1~3]，由于傳感器與放大電路之間不是一體化結(jié)構(gòu)，要用一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線連接在一起，這就要求放大電路必須是電荷放大器。若要做成傳感器及放大電路一體化結(jié)構(gòu)，由于電荷放大器的電路較復(fù)雜，致使傳感器體積較大，傳感器的固有頻率很難做大。當(dāng)要求傳感器有較高的固有頻率時(shí)，就需要減小體積，電路板的面積大小就成為瓶頸。文獻(xiàn)[4]所述的放大電路和傳感器是一體化的，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝配操作及調(diào)試都較為困難。為了使壓電傳感器體積減小又不降低性能，必須要對(duì)其放大電路進(jìn)行研究探討。本文試圖設(shè)計(jì)一種一體化的壓電傳感器放大電路，達(dá)到傳感器既有較小的體積、又有較高的性能的目的，使傳感器的裝配調(diào)試容易，能批量生產(chǎn)。

1電路設(shè)計(jì)原理

壓電傳感器是用螺栓將質(zhì)量塊、壓電陶瓷片、引出線電極片及絕緣片緊固在底座上組成的剛性連接結(jié)構(gòu)傳感器，傳感器的轉(zhuǎn)換原理基于壓電效應(yīng)[5]，屬于慣性力傳感器。若傳感器底座受到慣性力的作用時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電陶瓷片上的力也隨之變化，當(dāng)被測(cè)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，力的大小與被測(cè)參數(shù)的數(shù)值成正比例關(guān)系，壓電陶瓷受力作用產(chǎn)生的電荷量與作用力相關(guān)聯(lián)，測(cè)量放大轉(zhuǎn)換成與被測(cè)參數(shù)相關(guān)的電壓值，便可得到被測(cè)量的數(shù)值。壓電傳感器是自發(fā)電型的傳感器，本身無(wú)需供電電源，可將其看作是電荷源或電壓源。壓電傳感器受外力（振動(dòng)、沖擊等）作用時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的電荷量（正弦波信號(hào)）很微弱。測(cè)量微弱的電荷信號(hào)，要求放大壓電傳感器信號(hào)的前置放大電路須具有很高的輸入阻抗，以減少傳感器接入放大電路后產(chǎn)生電荷的泄露，避免輸入信號(hào)的跌落。壓電傳感器的放大可由電荷放大器和電壓放大器來(lái)完成。電荷放大器的輸出信號(hào)不受傳感器引出線線間分布電容的影響，但組成放大電路的所需元件多，傳感器做成一體化實(shí)為不便。當(dāng)壓電傳感器與放大電路組成一體化結(jié)構(gòu)時(shí)，傳感器與電路間的間距很小，所需引線很短、且位置相對(duì)固定，由引線間形成的分布電容不大，用簡(jiǎn)單的電壓放大電路對(duì)傳感器的測(cè)量誤差影響很小。選擇封裝體積很小的高輸入阻抗儀表放大器將會(huì)使電路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，電路所用元件也大為減少，不僅傳感器的體積會(huì)減少很多，也可大大提高電路的可靠性，因?yàn)橥绞呛?jiǎn)單的電路其故障率就越低。為此設(shè)計(jì)成如圖1所示的壓電傳感器放大電路。圖1的電路包含了電荷信號(hào)的輸入電路、放大器及放大器所需參考電壓的穩(wěn)壓電路。電荷信號(hào)的兩個(gè)輸出端分別通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓電路的輸出端接入兩個(gè)高阻值的電阻器后再接入放大器的輸入端，以此為放大器的輸入端提供了偏置電流回路，使放大器能正常放大交流信號(hào)，參考電壓的加入為放大器放大交流信號(hào)提供了直流電位，以免放大器產(chǎn)生削波輸出不完整的波形信號(hào)。

2試驗(yàn)結(jié)果

用PZT型壓電陶瓷片組裝成一體化的振動(dòng)沖擊傳感器，用輸入電阻＞1012Ω的MSOP-8封裝形式的儀表放大器及靜態(tài)電流很小、穩(wěn)壓值≤2VDC的基準(zhǔn)穩(wěn)壓塊組成圖1所示的電路，電路的供電電壓為5VDC，傳感器的標(biāo)定測(cè)量范圍為0~100m/s2，用振動(dòng)傳感器標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試。圖1所示的電路中，偏置電阻R是影響放大電路頻率響應(yīng)的關(guān)鍵所在。在一體化壓電振動(dòng)沖擊傳感器組裝完畢后，將傳感器固定于振動(dòng)臺(tái)上對(duì)輸入輸出特性進(jìn)行測(cè)試。改換電路中偏置電阻R的數(shù)值，分別做了電阻值為2MΩ、10MΩ及51MΩ的測(cè)試試驗(yàn)，其頻響特性如圖2、圖3及圖4所示。圖2和圖3是傳感器金屬外殼未完全封閉情況下測(cè)試的，圖4為完全封閉情況下的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，隨偏置電阻R數(shù)值的增大，放大電路的頻響特性會(huì)變好，可通過(guò)試驗(yàn)確定偏置電阻R的大小。另外，傳感器金屬外殼未完全封閉對(duì)傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生了干擾影響。當(dāng)偏置電阻R為51MΩ時(shí)，給傳感器施以0~100m/S2的振動(dòng)加速度值，測(cè)試傳感器的幅值線性度其結(jié)果如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)計(jì)算得知，傳感器的最大非線性誤差為0.049%，其線性度非常好。

3結(jié)束語(yǔ)

壓電傳感器采用高輸入阻抗儀表放大器作為放大電路中的放大器，通過(guò)在放大電路的輸入端加入偏置電阻，使放大器放大高輸出阻抗的電荷型信號(hào)成為可能。選擇合適的偏置電阻，可使傳感器的頻響特性滿足性能要求，做成的一體化傳感器體積?。ㄖ亓枯p），使傳感器具有高的固有頻率，實(shí)際應(yīng)用效果良好；放大電路簡(jiǎn)單、元件少，制造成本低易于生產(chǎn)。所述電路雖只是對(duì)振動(dòng)沖擊傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但對(duì)于測(cè)量壓力、位移等參數(shù)的壓電傳感器也同樣適用。

作者:陳玉偉 張 叢 單位:青島航天半導(dǎo)體研究所有限公司