烟台大学机电汽车工程学院

根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器（主要是实现阻抗的匹配）主要有以下两种测量电路RaQCcRiCiCa(a)电荷源等效电路(b)电压源等效电路传感器电缆线运算放大器RauCcRiCiCa传感器电缆线运算放大器电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。RaQCcRiCiCa(a)电荷源等效电路传感器电缆线运算放大器前置放大器的作用：实现阻抗匹配、适当放大=RCRiC时间常数大则放电速度慢，要求放大器的输入电阻Ri大，所以前置放大为高输入阻抗低输出阻抗。然后还要用一般放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录仪器。1.电压放大器电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大。因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。电压放大器的简化电路图为：电压放大电路CaRaQCcRiCiAuiuo电压放大电路CaRaQCcRiCiAuiuoRQCAuiuoiaRRR//aciCCCC设作用于压电晶片上的力F=Fmsint，所产生的电荷（电流）及电压均按正弦规律变化，亦则：Q=dcF=dcFmsint，其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc+CiRQCAuiuoitFddtdQimccosRCjRtFdCRiumci1cos//FFRCjRjFdRCjRtFjdRCjRtFdCRIUcmcmci11sin1cos//RCCFdRCRFdUUccimiarctan2111122A向量表示iaRRR//aciCCCC电压幅值比和相角频率比的关系曲线arctan21112AAA1、0时，输出电压为0，意味着电荷完全被泄漏，压电式传感器后接电压放大器不能测量静态量；2、3，则输出与输入关系不是线性关系；（受的影响较大）3、3，输出电压与输入信号（被测力）的频率大小无关，输出与输入完全的线性正比关系A1，0即无相位滞后。=RCR↑C↑均使↑但是c3/，↑才能扩大低频响应范围。iaRRR//aciCCCCRCCFdRCRFdUUccimiarctan2111122C↑使输出电压值减小，即灵敏度下降，不宜采取C↑的方法。ACddFUdkciu电压灵敏度R↑是唯一的途径！！3时，A1Cdkcu高输入阻抗可见输出受到连接导线电容值的影响，注意：①导线不宜太长；②导线（标定后）不能随意更换。这是电压放大器的致命的弱点！C=Ca+Cc+Ci，由此式可以看出：输出电压的大小受到C的影响，而CaRaQCcRiCiAuiuoACddFUdkciuCdkcu优点：线路简单，价格低廉。缺点：测试精度受导线（电缆）电容的影响。ACddFUdkciuCdkcuFCdUci近些年来固态电子元器件和集成电路的迅速发展，微型电压放大器可以与传感器做成一体（集成化），电压放大器的缺点能得以克服，电压放大器并不需要低噪声电缆，具有较好的发展前景。解决干扰的有效措施就是采用与传感器一体化的超小型阻抗变换器，下图就是两个典型的电路图。由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度受电缆分布电容的影响，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。重点掌握2.电荷放大器电荷放大器是一个高增益带深度电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。CaRa电荷放大电路QCcRiCiKuiuoCf传感器电缆运算放大器反馈电阻哪去了？CaQCcCiKuiuoCfQCKuiuo等效电路：（输入阻抗为无穷大，Ra很大）CfC=Ca+Cc+CiQCKuiuoCfC=Ca+Cc+CiiofoiiKuuCuuCuQfoooCuKuCKuQffffoCKCCQKCCCKQuK值很大，一般K=104~106，上式为：ffffoCKCCQKCCCKQufoCQu在此式中，输出电压与C值无关，只有Cf，也就是说，电缆电容并无影响，连接导线有时长达百米（低噪声电缆，工厂称为无噪声电缆）。与电压放大器比较，这是一个突出的优点，但是，电荷放大电路复杂，价格较高。C=Ca+Cc+CiCf——反馈电容180foCQU与输入信号反相foCQuFdQcFCdUfcoFCdUfcofcoQCdFUk定义：灵敏度上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和Ci无关。电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。FCdUfcofcoQCdFUkFKUQo由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻Rf（约1010~1014）。见下页图FCdUfcofcoQCdFUkQCKuiuoCfCaRa电荷放大电路qCcRiCi-AuiuoCf传感器电缆运算放大器RffoCQu电荷放大器输出电压Uo正比于输入电荷Q，输出与输入反相，且输出不受电缆电容的影响，这是在开环增益K足够大的情况下的一种近似，实际当导线很长时仍会产生一定的影响，由此产生的测量误差为P126所示。由误差式可以看出，CF↑，K↑可以减小误差。高、低频限电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的Ca和电缆的Cc与RccacHCCRf21由于Ca、Cc、Rc均较小，所以可测信号的上限频率很高，一般为180KHz。电荷放大器的低频下限，由于开环放大倍数很大，因此只取决于反馈回路参数RF、CFFFLCRf21低频下限频率与电缆电容无关，由于运算放大器的时间常数RFCF可做得很大，因此电荷放大器的低频下限可低达10-1~10-4KHz（准静态）电荷放大器与电压放大器比较优点是显而易见的，这就是它得以广泛应用的原因所在。教材介绍0.3Hz电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。电荷放大器电压放大器对比：从电路上看，电荷放大器很简单。其实我们仅讲了其前置放大部分，其整个电路的组成很复杂，见下页图。电荷放大器原理框图一般可用下面的框图来表示：电荷放大器电荷放大器电压放大器的简化电路图电压幅值比和相角频率比的关系曲线电荷放大器等效电路电荷放大器原理框图