煙臺大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院

1、 根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大前置放大器器（主要是實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配）主要有以下兩種（主要是實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配）主要有以下兩種測量電路測量電路RaQCcRiCiCa(a)(a)電荷源等效電路電荷源等效電路(b)(b)電壓源等效電路電壓源等效電路傳感器傳感器電纜線電纜線運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器RauCcRiCiCa傳感器傳感器電纜線電纜線運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器RaQCcRiCiCa(a)(a)電荷源等效電路電荷源等效電路傳感器傳感器電纜線電纜線運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器前置放大器前置放大器的作

2、用：的作用：實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、適當(dāng)放大實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、適當(dāng)放大 = R C Ri C時間常數(shù)大則放電速時間常數(shù)大則放電速度慢，要求放大器的度慢，要求放大器的輸入電阻輸入電阻Ri大，所以前大，所以前置放大為置放大為高輸入阻抗高輸入阻抗低輸出阻抗低輸出阻抗。然后還要用一般放大、檢波電路將信號輸給指。然后還要用一般放大、檢波電路將信號輸給指示儀表或記錄儀器。示儀表或記錄儀器。電壓放大電路電壓放大電路CaRaQCcRiCiAuiuo電壓放大電路電壓放大電路CaRaQCcRiCiAuiuoRQCAuiuoiaRRR/ aciCCCC 設(shè)作用于壓電晶片上的力設(shè)作用于壓電晶片上的力F=Fmsin t，所產(chǎn)生的電荷

3、（電流）所產(chǎn)生的電荷（電流）及電壓均按正弦規(guī)律變化，亦則：及電壓均按正弦規(guī)律變化，亦則： Q = dc F = dc Fmsin t ，其中，其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci RQCAuiuoi tFddtdQimc cos RCjRtFdCRiumci 1cos/FF RCjRjFdRCjRtFjdRCjRtFdCRIUcmcmci 11sin1cos/ RCCFdRCRFdUUccimi arctan2111122 A向量表示向量表示iaRRR/ aciCCCC 電壓幅值比和相角頻率比的關(guān)系曲線電壓幅值比和相角頻率比的關(guān)系曲線 arctan21112A A A 1

4、 1、00時，輸出電壓為時，輸出電壓為0 0，意味著，意味著電荷完全被泄漏，壓電式傳感器電荷完全被泄漏，壓電式傳感器 后接電壓放大器后接電壓放大器 不能測量靜態(tài)量；不能測量靜態(tài)量；2 2、333，輸出電壓與輸入信號輸出電壓與輸入信號（被測力）的頻率大小無關(guān)，輸出（被測力）的頻率大小無關(guān)，輸出與輸入完全的線性正比關(guān)系與輸入完全的線性正比關(guān)系A(chǔ)1A1，00即無相位滯后。即無相位滯后。 =RCRC 均使均使 但是但是 c3/3/， 才能擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。才能擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。iaRRR/ aciCCCC RCCFdRCRFdUUccimi arctan2111122C 使使輸出電壓值減小，輸出電壓值

5、減小，即靈敏度下降，不宜采取即靈敏度下降，不宜采取C 的的方法。方法。 ACddFUdkciu 電壓靈敏度電壓靈敏度R是唯一的途徑！是唯一的途徑！33時，時，A1A1Cdkcu 高輸入阻抗高輸入阻抗可見輸出受到連接導(dǎo)線電容值的影響，注意：可見輸出受到連接導(dǎo)線電容值的影響，注意：導(dǎo)線不宜太長；導(dǎo)線不宜太長；導(dǎo)線（標(biāo)定后）不能隨意更換。導(dǎo)線（標(biāo)定后）不能隨意更換。這是電壓放大器的致命的弱點(diǎn)！這是電壓放大器的致命的弱點(diǎn)！C = Ca + Cc + Ci ，由此式可以看出：輸出電壓的大小受到由此式可以看出：輸出電壓的大小受到C的影響，而的影響，而CaRaQCcRiCiAuiuo ACddFUdkciu

6、 Cdkcu 優(yōu)點(diǎn)：線路簡單，價(jià)格低廉。優(yōu)點(diǎn)：線路簡單，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：測試精度受導(dǎo)線（電纜）電容的影響。缺點(diǎn)：測試精度受導(dǎo)線（電纜）電容的影響。 ACddFUdkciu Cdkcu FCdUci 近些年來固態(tài)電子元器件和集成電路的迅速發(fā)展，微近些年來固態(tài)電子元器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大器可以與傳感器做成一體（集成化），電壓放型電壓放大器可以與傳感器做成一體（集成化），電壓放大器的缺點(diǎn)能得以克服，電壓放大器并不需要低噪聲電纜，大器的缺點(diǎn)能得以克服，電壓放大器并不需要低噪聲電纜，具有較好的發(fā)展前景。具有較好的發(fā)展前景。 解決干擾的有效措施就是采用與傳感器一體化的超小解決干擾的有效措施

7、就是采用與傳感器一體化的超小型阻抗變換器，下圖就是兩個典型的電路圖。型阻抗變換器，下圖就是兩個典型的電路圖。重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握2.電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一個電荷放大器是一個高增益帶深度電容負(fù)反饋高增益帶深度電容負(fù)反饋的運(yùn)算放的運(yùn)算放大器，其輸入阻抗極高（大器，其輸入阻抗極高（10101212 以上）。以上）。 CaRa電荷放大電路電荷放大電路QCcRiCiKuiuoCf傳感器傳感器電電 纜纜運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器反饋電阻哪去了？反饋電阻哪去了？CaQCcCiKuiuoCfQCKuiuo等效電路：（輸入阻抗為等效電路：（輸入阻抗為無窮大，無窮大，Ra很大）很大）CfC = Ca + Cc

8、 + Ci QCKuiuoCfC = Ca + Cc + Ci iofoiiKuuCuuCuQfoooCuKuCKuQ ffffoCKCCQKCCCKQu K值很大，一般值很大，一般K =104106，上式為：上式為： ffffoCKCCQKCCCKQu foCQu 在此式中，輸出電壓與在此式中，輸出電壓與C值無關(guān)，只有值無關(guān)，只有C f，也就是說，電纜也就是說，電纜電容并無影響，連接導(dǎo)線有時長達(dá)百米（低噪聲電纜，工廠稱為電容并無影響，連接導(dǎo)線有時長達(dá)百米（低噪聲電纜，工廠稱為無噪聲電纜）。與電壓放大器比較，這是一個突出的優(yōu)點(diǎn)，但是，無噪聲電纜）。與電壓放大器比較，這是一個突出的優(yōu)點(diǎn)，但是，電

9、荷放大電路復(fù)雜，價(jià)格較高。電荷放大電路復(fù)雜，價(jià)格較高。C = Ca + Cc + Ci Cf反饋電容反饋電容 180 foCQU與與輸入信號反相輸入信號反相foCQu FdQc FCdUfco FCdUfco fcoQCdFUk 定義：定義：靈敏度靈敏度 上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外力成正比，與反饋電容成反比，力成正比，與反饋電容成反比，而與而與Ca、Cc和和Ci無關(guān)無關(guān)。 電纜分布電容變化不會影響傳感器靈敏度及測量結(jié)果是電荷電纜分布電容變化不會影響傳感器靈敏度及測量結(jié)果是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。FCdUfco

10、fcoQCdFUk FKUQo 由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對直流工作點(diǎn)相當(dāng)由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個大的反饋電阻器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個大的反饋電阻Rf（約約10101014 ）。）。見下頁圖見下頁圖FCdUfco fcoQCdFUk QCKuiuoCfCaRa電荷放大電路電荷放大電路qCcRiCi-AuiuoCf傳感器傳感器電電 纜纜運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器RffoCQu 電荷放大器輸出電壓電荷放大器輸出電壓Uo正比于輸入

11、電荷正比于輸入電荷Q，輸出與輸入反輸出與輸入反相，且輸出不受電纜電容的影響，這是在開環(huán)增益相，且輸出不受電纜電容的影響，這是在開環(huán)增益K足夠大的足夠大的情況下的一種近似，實(shí)際當(dāng)導(dǎo)線很長時仍會產(chǎn)生一定的影響，情況下的一種近似，實(shí)際當(dāng)導(dǎo)線很長時仍會產(chǎn)生一定的影響，由此產(chǎn)生的測量誤差為由此產(chǎn)生的測量誤差為P126所示。由誤差式可以看出，所示。由誤差式可以看出，CF，K 可以減小誤差?？梢詼p小誤差。高、低頻限高、低頻限電荷放大器的高頻上限主要取決于壓電器件的電荷放大器的高頻上限主要取決于壓電器件的Ca和電纜的和電纜的Cc與與Rc cacHCCRf 21 由于由于Ca、Cc、Rc均均較小，所以可測信號的

12、上限頻率很較小，所以可測信號的上限頻率很高，一般為高，一般為180KHz。 電荷放大器的低頻下限，由于開環(huán)放大倍數(shù)很大，因電荷放大器的低頻下限，由于開環(huán)放大倍數(shù)很大，因此只取決于反饋回路參數(shù)此只取決于反饋回路參數(shù)RF、 CFFFLCRf 21 低頻下限頻率與電纜電容無關(guān)，由于運(yùn)算放大器的時低頻下限頻率與電纜電容無關(guān)，由于運(yùn)算放大器的時間常數(shù)間常數(shù)RF CF可做得很大，因此電荷放大器的低頻下限可低可做得很大，因此電荷放大器的低頻下限可低達(dá)達(dá)10-110-4KHz（準(zhǔn)靜態(tài)）準(zhǔn)靜態(tài)） 電荷放大器與電壓放大器比較優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，這就電荷放大器與電壓放大器比較優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，這就是它得以廣泛應(yīng)用的原因所在。是它得以廣泛應(yīng)用的原因所在。教材介紹教材介紹0.3Hz 電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；但電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時宜綜合考慮。用時宜綜合考慮。電荷放大器電壓放大器對比：電荷放大器電壓放大器對比： 從電路上看，電荷放大器很簡單。其實(shí)我們僅講了其從電路上看，電荷放大器很簡單。其實(shí)我們僅講了其前