基于壓電傳感器的放大電路分析

西安石油大學電子工程學院 陳陽正 邢亞敏 李玉鳳 王炳友 朱清溪 羅紫薇

0 引言

壓電式傳感器是一種電量型傳感器，由于壓電元件不僅具有自發(fā)電和可逆兩種主要性能，還具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，固有頻率高，靈敏度和信噪比高等優(yōu)點，所以壓電式傳感器飛速發(fā)展，在石油方面應(yīng)用也十分廣泛，近幾年隨著石油勘探工作的深入，面對復(fù)雜的地形，壓電傳感器作為首先元件，應(yīng)用于石油測井、淺海勘探等石油勘探領(lǐng)域，也取得了優(yōu)異的成果。利用好壓電式傳感器最核心的部分還是放大電路的設(shè)計，一般來說壓電傳感器的輸出信號非常的微弱，并且傳感器本身輸出阻抗高，為了減小測量誤差，我們必須接很大的負載阻抗，所以，通常我們會將傳感器的輸出信號接到高輸入阻抗的前置放大電路中。

1 壓電式傳感器的工作原理

壓電式傳感器是通過壓電效應(yīng)進行能量轉(zhuǎn)換的，歸屬于慣性力傳感器的范疇，壓電效應(yīng)分為順壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩大類，對于一些特殊的帶電材料，在沿著一定方向上受到外力的作用而變形，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生極性相反的電荷；當去掉外力后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，這種機械能轉(zhuǎn)化成為電能的現(xiàn)象成為順壓電效應(yīng)。相反地，在電介質(zhì)物質(zhì)的極化方向上施加電場，它就會產(chǎn)生機械形變，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)化成機械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，即壓電效應(yīng)是可逆的，具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)物質(zhì)稱為壓電材料，其中石英晶體是良好的純天然壓電晶體，此外還有壓電陶瓷等多種晶體，也同樣具有良好的壓電轉(zhuǎn)換功能。

1.1 放大電路設(shè)計原理

壓電傳感器的前置放大有兩個作用，一個是放大壓電傳感器輸出的微弱信號；二是把壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵觯鶕?jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號也可以是電荷信號，因此前置放大器有兩種形式：

（1）電壓放大器：其輸出電壓與傳感器的輸出電壓成正比；

（2）電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。

電壓放大器和電荷放大器的等效原理圖如圖1所示。

圖1 電壓放大器和電荷放大器的等效電路

1.2 電壓放大電路分析

壓電傳感器與電壓放大器相連的等效電路如圖1(a)所示。

如圖2(a)中，等效電阻、等效電容分別為：

設(shè)在壓電元件上受到角頻率為w，壓電系數(shù)為μX，幅值為Fm的力，即：

在外力的作用下在壓電器件上產(chǎn)生的電壓值為：

輸入電壓的幅值為：

如式(7)可得，當w遠大于w0時，可以近似看作電壓與作用力的頻率無關(guān)，在時間常數(shù)一定的情況下，傳感器輸入信號的頻率越高，其線性度越好，即壓電式傳感器的頻率響應(yīng)越好。

所以電壓放大電路一般適用于高頻。

1.3 電荷放大電路分析

電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益運算放大器，作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益的放大器構(gòu)成，其等效電路如圖1(b)所示，其電壓輸出為：

一般，當增溢足夠大時，傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。通過表達式(8)很容易看出三個電容的和是一個定值，當(1+A)Cf遠大于這個定值的時候我們就可以近似的認為輸出電壓與電容無關(guān)

電荷放大器的時間常數(shù)很大，下限截止頻率很低，輸出阻抗遠小于輸入阻抗，因此，在低頻響應(yīng)中比電壓放大器要好很多，故應(yīng)該將兩者配合使用。

2 放大電路總結(jié)

通過以上對電壓放大電路和電荷電路的分析和對比可以得出，兩種放大電路適用于不同的頻率響應(yīng)，高頻時采用電壓放大，低頻時采用電荷放大，在實際的工程勘察中，壓電式傳感器的放大電路時，我們應(yīng)該結(jié)合實際需求，將兩個電路結(jié)合起來配合使用，才能對被測物進行有效的測量。

3 結(jié)束語

壓電傳感器的優(yōu)勢十分明顯，但是其輸出信號十分的微弱，在實際測量中我們必須設(shè)計放大電路將信號放大，否則無法對被測物體進行有效的測量，電壓放大電路的優(yōu)點就是電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件少，成本低，但是對電纜的長度一定的限制，電纜不能太長，靈敏度受電纜長度的影響很大。在實際測量中我們常常使用電荷放大器，其靈敏度與電纜無關(guān)，而且可以得到很好的低頻特性。

[1]王君,凌振寶.傳感器原理及檢測技術(shù)[M].吉林大學出版社,2003.

[2]王煜東,劉篤東.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[3]康維新,齊建家,候志偉,王華玲.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2008.

[4]魏東,張志杰,裴東興.電壓放大器可靠性分析[J].中國測試技術(shù),2007(1):91-92.

[5]趙燕.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京大學出版社,2010.

[6]張薇,高國旺,李漢興,等.新型壓電式傳感器前置放大電路的設(shè)計[J].電子測試,2010(6)10-14.