高頻響電荷放大級的研究論文

1、I / 89圖書分類號圖書分類號 TP212TP212 密級密級非密 UDCUDC 620620 碩碩 士士 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文高頻響電荷放大級的研究高頻響電荷放大級的研究指導(dǎo)教師（、職稱）指導(dǎo)教師（、職稱）申請學(xué)位級別申請學(xué)位級別 工學(xué)碩士工學(xué)碩士 專業(yè)名稱專業(yè)名稱 測試計(jì)量技術(shù)與儀器測試計(jì)量技術(shù)與儀器 論文提交日期論文提交日期 20122012 年年 4 4 月月 2828 日日論文答辯日期論文答辯日期 20122012 年年 6 6 月月 6 6 日日學(xué)位授予日期學(xué)位授予日期 20122012 年年 7 7 月月 1 1 日日論文評閱人論文評閱人答辯委員會主席答辯委員會主席20122

2、012 年年 6 6 月月 1 1 日日 I / 89原原 創(chuàng)創(chuàng) 性性 聲聲 明明本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的容外，本論文不包含其他進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的容外，本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽

3、名：論文作者簽名： 日期：日期：關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括：本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括：學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)校可學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué)學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；位論文被查閱或借閱；學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文；論文；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文

4、的全部或部分容（學(xué)位論文在解密后遵守學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分容（學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）此規(guī)定） 。簽簽 名：名： 日期：日期：導(dǎo)師導(dǎo)師 簽名：簽名： 日期：日期：I / 89高頻響電荷放大級的研究高頻響電荷放大級的研究摘摘 要要壓電傳感器可以將需要測量的非電量轉(zhuǎn)換為易于被后續(xù)電路測量的電信號，并具有體積小、可靠性高、靈敏度高等優(yōu)異性能，因而它在動態(tài)測試中有著廣泛的應(yīng)用。而電荷放大器就是壓電傳感器后續(xù)測量電路中必不可少的一環(huán)，電荷放大級是其核心部件，電荷放大級由于具有很高的阻可較好地拾取由壓電傳感器產(chǎn)生的微弱電荷量，并輸出正比于該電荷量的電壓量。本文著重研究電荷放大級的高頻響應(yīng)，具

5、體有以下幾個(gè)方面：1）介紹壓電晶體的壓電效應(yīng)、壓電傳感器的工作原理和靈敏系數(shù)，研究了壓電傳感器的等效電路，并對壓電傳感器的測量電路進(jìn)行原理分析。2）詳細(xì)闡述電荷放大器的各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)，指出它們的功能與工作方式并分析了其中一些模塊的傳遞函數(shù)。3）對高頻響電荷放大級的原理進(jìn)行詳細(xì)分析，得出運(yùn)放開環(huán)增益對其高頻響應(yīng)的重要影響，同時(shí)進(jìn)行了運(yùn)放的動態(tài)特性研究來支持這一觀點(diǎn)，并且比較了兩種不同運(yùn)放芯片 OPA340 與 OPA301 組成的電荷放大級的不同高頻響應(yīng)表現(xiàn)。4）從測試系統(tǒng)的工作頻帶角度分析了不同運(yùn)放組成的電荷放大級的工作頻帶區(qū)別所在，并在數(shù)學(xué)軟件 Mathcad 下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。5）初步分

6、析研究了電荷放大級的低頻響應(yīng)。6）通過以上理論分析與仿真，設(shè)計(jì)制作了電荷放大級的實(shí)際電路，并得到了一系列的相應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，對實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行了對比分析與討論。關(guān)鍵字：壓電傳感器，電荷放大級，高頻響應(yīng)，MathcadI / 89High-frequencyHigh-frequency responseresponse ofof thethe chargecharge amplifieramplifier stagesAbstractstagesAbstractThe piezoelectric sensor can be measured non-electricity conversio

7、n for easy follow-up circuit to measure electrical signals, and has a small size, high reliability, high sensitivity, excellent performance, and thus it is more widely used in the dynamic test. The charge amplifier is essential in the follow-up measurement circuit of piezoelectric sensor, charge amp

8、lifier stage is the core component of the charge amplifier stage due to high internal resistance can be better to pick up the weak amount of charge generated by the piezoelectric sensor , and the output voltage is proportional to the amount of the charge amount. This paper focuses on the high-freque

9、ncy response of the charge amplifier stage, specifically in the following areas: 1) Introduction of the piezoelectric crystal piezoelectric effect, the working principle of the piezoelectric sensor and the sensitivity coefficient, the equivalent circuit of the piezoelectric sensor and piezoelectric

10、sensor measurement circuit theory analysis. 2) Details of the charge amplifier circuit module design, and pointed out their functions and working methods and analysis of the respective transfer function. 3) A detailed analysis of the principle of the high frequency response of the charge amplifier s

11、tage obtained transported to release the loop gain of the high-frequency response, so the dynamic characteristics of the op amp to support this view, and compare the two different op-amp chip OPA340 and OPA301 charge amplifier stage high-frequency response performance. 4) Band angle from the test sy

12、stem analyzes the different op-amp charge amplifier stage operating frequency the difference between the simulation and mathematical software Mathcad.II / 89 5) Preliminary analysis of the low frequency response of the charge amplifier stage. 6) Design the actual circuit of the charge amplifier stag

13、e and a series of measured data, a comparative analysis and discussion on the measured data and theoretical analysis by theI / 89above theoretical analysis and simulation。Keywords:Keywords: piezoelectric sensor, charge amplifier stage, high-frequency response, MathcadI / 89目目 錄錄1 緒論1.1 本文論題的提出、目的與理論

14、意義 11.2 國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 31.3 本文研究重點(diǎn) 42 壓電傳感器原理分析與電荷放大器的電路模塊設(shè)計(jì)2.1 壓電傳感器原理分析 .62.1.1 引言 62.1.2 晶體的壓電效應(yīng) 62.1.3 壓電傳感器的工作原理 92.1.4 壓電傳感器的結(jié)構(gòu) 102.1.5 壓電傳感器的等效電路 122.2 壓電傳感器測量電路原理分析 132.2.1 電壓放大器 142.3 電荷放大器的各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì) 152.3.1 電荷放大級 162.3.2 歸一化級電路設(shè)計(jì) 192.3.3 有源濾波電路模塊設(shè)計(jì) 222.3.4 輸出放大電路 272.3.5 過載指示電路 273 高頻響電荷放大級的關(guān)鍵

15、技術(shù)研究3.1 引言 303.2 高頻響電荷放大級的原理詳細(xì)分析 303.3 運(yùn)算放大器的動態(tài)特性研究 323.3.1 OPA340 芯片的仿真分析與仿真曲線 343.3.2 OPA301 芯片的仿真分析與仿真曲線 45II / 893.4 電荷放大級的高頻響應(yīng)與其工作頻帶的研究 523.4.1 測試系統(tǒng)動力學(xué)重要指標(biāo)工作頻帶 533.4.2 測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性 533.4.3 電荷放大級的高頻響應(yīng)仿真 563.5 電荷放大級的低頻響應(yīng)研究 603.6 本章小結(jié) 634 高頻響電荷放大級的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 644.2 實(shí)測數(shù)據(jù)與分析 674.3 本章小結(jié) 725 總結(jié)與展望5.

16、1 本文總結(jié) 735.2 本文創(chuàng)新點(diǎn) 735.3 本文不足與展望 73參考文獻(xiàn)攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文與參與的科研工作致1 緒論緒論1.1 本文論題的提出、目的與理論意義本文論題的提出、目的與理論意義進(jìn)入 21 世紀(jì)來隨著科技的日新月異發(fā)展與生產(chǎn)需求的不斷提高，在許多工程實(shí)踐場合中越來越多地要求進(jìn)行動態(tài)測量，即定量定性、深刻地掌握辨識許多瞬態(tài)過程中各種基本參數(shù)的變化規(guī)律。如此應(yīng)用背景下動態(tài)存儲測試取得了飛速的發(fā)展進(jìn)步，并將在將來的測試科學(xué)、測試實(shí)踐領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用1,2。存儲測試技術(shù)是近 20 年來發(fā)展起來的，可以廣泛應(yīng)用于多種惡劣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)測試方法3。存儲測試系統(tǒng)具有體積小

17、，耗電低的特點(diǎn)，在對被測過程影響較小的條件下，可以跟隨被測物體在實(shí)測環(huán)境中完成一次記錄過程。這樣獲得測試數(shù)據(jù)可以最大限度地還原顯示被測物理量的動態(tài)變化過程4,5。因此存儲測試技術(shù)在現(xiàn)代工程實(shí)踐中得到了越來越廣泛的運(yùn)用與開發(fā)。在動態(tài)測試中首先需要將被測的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，壓電傳感器較多的應(yīng)用于這一過程中。常見的壓電傳感器有用于測試振動與沖擊過程的動態(tài)參數(shù)的壓電加速度傳感器6。壓電加速度傳感器廣泛應(yīng)用于各種碰撞與沖擊、爆炸過程中的瞬態(tài)過程參數(shù)的測量。壓電傳感器可以在實(shí)際生產(chǎn)、生活中測量許多基本、實(shí)用參數(shù)。比如可以得到物體相對于水平面的角度通過測量由于重力而引起的加速度變化；可以測得物體的運(yùn)動方

18、向與快慢通過分析該物體的動態(tài)加速度7。 壓電傳感器在日常生活中的商用數(shù)碼產(chǎn)品中也被用的越來越多、越來越好。比如，目前最新 IBM Thinkpad 筆記本電腦里就置了加速度傳感器可以對各種使用環(huán)境下根據(jù)情況對電腦振動情況進(jìn)行分析，并即時(shí)地采取對電腦硬盤的保護(hù)；在數(shù)碼相機(jī)和 DV 機(jī)里也置了壓電加速度傳感器，可以通過實(shí)時(shí)檢測使用時(shí)相機(jī)的微小顫抖，根據(jù)這些振動情況，自動的調(diào)節(jié)相機(jī)聚焦從而使拍照、攝像效果達(dá)到最好。美國 ICSensors 壓電加速度傳感器，3031,1220,1230,1240 等型號?？梢杂脕肀O(jiān)視地震以與建筑物的防震性能并可以進(jìn)行初步的地震預(yù)報(bào)。壓電加速度傳感器的測試電路通常被認(rèn)

19、為一個(gè)較完整的非電變量的信號測試系統(tǒng)。2 / 89它一般有以下幾個(gè)過程組成：信號的獲得、轉(zhuǎn)換、存儲、顯示和進(jìn)一步分析處理等過程。即測試系統(tǒng)會依次經(jīng)過被測量的獲得、電荷電壓信號的轉(zhuǎn)換、信號的適調(diào)放大的順序，然后根據(jù)需要將信號存儲下來或進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示810。有的情況中還需要進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理分析。由此可見，一般的非電量測量系統(tǒng)都包括傳感器、后續(xù)測量電路、適調(diào)放大電路、指示記載設(shè)備等幾個(gè)環(huán)節(jié)，有時(shí)還包括數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理分析設(shè)備。該測試系統(tǒng)框圖可用圖 1.1 所示。傳感器被測量測量電路指示儀器記錄儀器數(shù)據(jù)處理圖 1.1 非電量測試系統(tǒng)的組成框圖其中傳感器是測試系統(tǒng)的關(guān)鍵，因?yàn)樗梢詫⒈粶y量的物理非電量

20、裝換成后續(xù)電路便于處理的電量，所以傳感器的準(zhǔn)確性與精度將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的測量精確性。測量電路負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)化電壓、電流信號，這樣既方便對信號進(jìn)行二次處理，也可以使信號在存儲顯示設(shè)備上被存儲或顯示出來。測量電路的種類因傳感器的種類而異11，壓電傳感器一般常用的后續(xù)測量電路是電荷放大器，如圖 1.2 所示。壓電傳感器被測非電量電荷放大器校準(zhǔn)設(shè)備記錄器數(shù)據(jù)處理圖 1.2 壓電傳感器的動態(tài)測試系統(tǒng)框圖壓電傳感器在受到外界的作用時(shí)，會產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，但是其電荷量非常微弱，而且傳感器部阻抗很高，造成該微弱電荷信號很難被一般的傳統(tǒng)電路進(jìn)行獲取與測量12，并且由于傳統(tǒng)的測試電路的輸入阻抗較小，壓

21、電晶體上的電荷經(jīng)過電路時(shí)會不可避免的被輸入電阻迅速泄露造成電荷量的些許損失，造成測試的一定偏差，影響測量結(jié)果的精確性。如果不能解決好這個(gè)問題，壓電傳感器在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)會受到很大的限制。3 / 89可見，壓電傳感器的后續(xù)測量電路在整個(gè)測試系統(tǒng)中也有著非常關(guān)鍵的作用。歷史上曾用過的測量電路有電壓放大器和電荷放大器兩種，不過電壓放大器由于在實(shí)際使用過程中有較大缺陷已經(jīng)用得很少，因?yàn)樗撵`敏度會隨著測試電纜的長度變化而變化13?，F(xiàn)在常用的是電荷放大器，它可以很好的克服以上所說的缺點(diǎn)，即測量結(jié)果的準(zhǔn)確性不會受到傳輸電纜長度的影響。所以在實(shí)際科研測試領(lǐng)域中，電荷放大器被用到很多且對于傳感器信號的準(zhǔn)確獲取

22、有著至關(guān)重要的作用14。本文研究的高頻響電荷放大級的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)傳感器的動態(tài)特性校準(zhǔn)，即準(zhǔn) 校準(zhǔn)。準(zhǔn) 校準(zhǔn)是用窄脈沖（脈寬 15us）激勵(lì)起傳感器的主要模態(tài)，可直接由傳感器的響應(yīng)信號的頻譜和窄激勵(lì)脈沖的頻譜處理出傳感器的頻響特性。目前國外市場上的商品電荷放大器的高頻截止頻率都在 300kHz 以下，不能用于測量準(zhǔn) 校準(zhǔn)的激勵(lì)和響應(yīng)信號，因此非常有必要研究截止頻率在 1MHz 以上的電荷放大器。1.2 國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢近些年來，國研制的高沖擊壓電傳感器的性能由于受到材料、結(jié)構(gòu)、工藝和安裝等因素的限制，量程和上限頻率難以得到提高，使得傳感器在高沖擊下環(huán)境測試結(jié)果的

23、線性度不太理想。目前國研發(fā)出的壓電傳感器樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)可達(dá)到：最大可測的沖擊加速度量程為 100,000g，安裝諧振頻率約為 9.5KHz，線性度為 10%；但是這樣的技術(shù)指標(biāo)在工程實(shí)踐時(shí)仍不能完全滿足要求。如此條件與環(huán)境下，如何改進(jìn)壓電傳感器與其后續(xù)電路的頻響上限與量程圍就是一個(gè)非常迫切需要解決的基本問題。所以本文的研究重點(diǎn)就是高頻響電荷放大級的研究。這對于改進(jìn)壓電傳感器的使用圍、提高其測試精度有著至關(guān)重要的作用。國的電荷放大器產(chǎn)品早期的有朗斯測試技術(shù)研發(fā)的 LC060l 電荷放大器和泰斯電子出產(chǎn)的 TS5865 電荷放大器。它們的重要技術(shù)指標(biāo)與基本參數(shù)如下15：輸入電荷量為0105PC，最

24、大輸出電壓為10V，準(zhǔn)確度1，頻率圍為 0.3Hz100KHz。國外的應(yīng)用的較多有 KISTLER（奇石樂）5015A 型電荷放大器，該放大器主要用于機(jī)械量，如壓力,力和加速度的測量。它的主要參數(shù)如下圖 1.3 所示。由該圖可知這種電荷放大器在精度小于 3%的情況下，其頻響帶寬為 0200kHz。4 / 89圖 1.3 奇石樂 5015A 電荷放大器的技術(shù)參數(shù)該放大器上可以選配 IEEE488 并行接口或 RS232 串行接口, 通過這些接口可對設(shè)置值遠(yuǎn)程輸入或查詢。另外 KISTLER 公司出產(chǎn)的電荷放大器型號 5011BxxY38 還具有適于低阻抗傳感器(低阻抗/標(biāo)定)的 BNC 輸入接口

25、,低阻抗/標(biāo)定選擇開關(guān),4.3mA 的電流源和一個(gè) 1nF 的標(biāo)定電容。這個(gè)電容一方面可以將低阻抗傳感器的電壓信號轉(zhuǎn)換成電荷信號。另一方面可以利用一個(gè)外部電壓源對儀器標(biāo)定進(jìn)行檢查。該儀器的尺寸符合 DIN 標(biāo)準(zhǔn)(德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)), 有臺式和機(jī)架安裝兩種類型，如圖 1.4 所示。圖 1.4 瑞士奇石樂出產(chǎn)的 5015 型電荷放大器以上這些產(chǎn)品的高頻截止頻率均沒達(dá)到 300kHz，不能滿足準(zhǔn) 校準(zhǔn)的需要。并且隨著科技的發(fā)展與測試要求的不斷提高，高頻響應(yīng)出色的電荷放大器已經(jīng)越來越受到重視。電荷放大器最重要的一環(huán)就是電荷放大級，本文將著重進(jìn)行高頻響電荷放大級的研究。1.3 本文研究重點(diǎn)本文研究重點(diǎn)本文首

26、先介紹了壓電晶體的壓電效應(yīng)、壓電傳感器的運(yùn)行機(jī)制、影響它的靈敏度系數(shù)的因素以與在實(shí)際分析中傳感器的等效測量電路。從理論方面詳細(xì)分析了組成電5 / 89荷放大器的各個(gè)電路模塊的功能與設(shè)計(jì)。在對高頻響電荷放大級進(jìn)行分析時(shí)，著重說明以前一直被忽略的運(yùn)算放大器開環(huán)增益 Aod的幅頻和相頻隨頻率變化的特性（復(fù)數(shù)形式） ，說明運(yùn)放芯片的頻率特性是影響電荷放大器頻響的主要因素。并給出 Mathcad 環(huán)境下的仿真曲線，著重對比 OPA340 與 OPA301 的工作頻帶帶寬，指出用 OPA301 作為電荷放大級的可行性。最后給出在電路板上測得的數(shù)據(jù)曲線，驗(yàn)證 OPA301 與 OPA340 構(gòu)成的電荷放大級

27、的高頻響特性。本文的重點(diǎn)研究容如下： 首先介紹壓電晶體的壓電效應(yīng)、壓電傳感器的工作原理和靈敏系數(shù)，研究了壓電傳感器的等效電路，并對壓電傳感器的測量電路進(jìn)行原理分析；詳細(xì)闡述電荷放大器的各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)，指出它們的功能與工作方式并分析各自的傳遞函數(shù)。其次對高頻響電荷放大級的原理進(jìn)行詳細(xì)分析，得出運(yùn)放開環(huán)增益對其高頻響應(yīng)的重要影響，并且進(jìn)行了運(yùn)放的動態(tài)特性研究來支持這一觀點(diǎn)，同時(shí)還比較了兩種不同運(yùn)放芯片 OPA340 與 OPA301 組成的電荷放大級的不同高頻響應(yīng)表現(xiàn)。另外從測試系統(tǒng)的工作頻帶角度分析了不同運(yùn)放組成的電荷放大級的工作頻帶區(qū)別所在，并在數(shù)學(xué)軟件 Mathcad 下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。并

28、且還初步分析研究了電荷放大級的低頻響應(yīng)。最后通過以上理論分析與仿真，設(shè)計(jì)制作了電荷放大級的實(shí)際電路，并得到了一系列的相應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)，對實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行了對比分析與討論。2 壓電傳感器原理分析與電荷放大器的電路模塊設(shè)計(jì)壓電傳感器原理分析與電荷放大器的電路模塊設(shè)計(jì)2.1 壓電傳感器原理分析壓電傳感器原理分析2.1.1 引言1880 年皮埃爾居里和雅克居里兄弟發(fā)現(xiàn)電氣石具有壓電效應(yīng)。1881 年，他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。1984 年，德國物理學(xué)家沃德馬沃伊特（Woldemar Voigt） ，推論出只有無對稱中心的 20 中點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)。居里兄弟所報(bào)

29、道的這些晶體中就有后來廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881 年 Lippman 應(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)（converse 6 / 89piezoelectric effect），即電場可以引起與之成正比的應(yīng)變16。接著 Hankl 引入了piezoelectricity（壓電性）這個(gè)名詞。壓電材料方面的快速進(jìn)步推進(jìn)了壓電效應(yīng)的研究與應(yīng)用。壓電材料的研究有兩個(gè)里程碑的發(fā)現(xiàn)。首先，郎之萬于 1916 年開發(fā)出了用石英壓電材料制成的水下聲波發(fā)生器和接收器，并在實(shí)際生產(chǎn)中可以用于對水下物體的探測與搜尋。這是人類發(fā)明的最早的壓力電能轉(zhuǎn)化設(shè)備。其次，1918 年 Cady 利用壓電晶體在

30、諧振頻率附近的特殊的電性能制作了諧振器，該創(chuàng)舉為壓電材料在通訊方面的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。在各種實(shí)際工程實(shí)踐中，壓電傳感器的應(yīng)用可以占到總數(shù)的大部分比例。因?yàn)樗哂休^好的頻率響應(yīng)特性，結(jié)構(gòu)簡單易于安裝，可靠性很高等長處。正是由于具有這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，壓電傳感器在測量各種瞬態(tài)過程中的參數(shù)變化時(shí)，有著顯著的優(yōu)點(diǎn)并能夠很好地完成這些測量任務(wù)。2.1.2 晶體的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)（Piezoelectricity），從能量守恒和轉(zhuǎn)換的角度來看屬于機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。壓電效應(yīng)有兩種，正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)在聲音的產(chǎn)生和偵測，高電壓的生成，電頻生成，微量天平（microbalance）

31、，和光學(xué)器件的超細(xì)聚焦有著重要的運(yùn)用。如圖 2.1 所示，壓電材料在感受到施加于其上的外部作用力后，其自身體的電偶極距會由于壓縮而產(chǎn)生變短的形變。與此同時(shí)，壓電材料會抵抗這種形變并且在材料的表面上產(chǎn)生出等量的正負(fù)電荷。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)” 。正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。Pd (2.1)其中，P 是晶體的電極化率，單位是 C/m2；d 為壓電常數(shù)，單位是 C/N; 為應(yīng)力，單位是 N/m2；逆壓電效應(yīng)同理可得。在壓電材料的表面施加一定的電場(電壓)，其自身體的電偶極矩由于受到作用會被一定程度的拉長，壓電材料會在電場的方向上伸長以抵抗這7 / 89種拉長變

32、化。這種通過電場作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)” 。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。 (2.2)tSd E其中，S 為晶體的氏模量；為壓電常數(shù)，單位是 m/V；E 為電場強(qiáng)度矢量，單位是tdV/m?？梢宰C明，正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應(yīng)的材料必然具有逆壓電效應(yīng)。如果外界電場較強(qiáng)，那么壓晶體管還會出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（electrostriction effect） ，即材料應(yīng)變與外加電場強(qiáng)度的平方成正比的現(xiàn)象?？梢杂靡韵鹿浇o出： (2.3)SuE其中，u 為電致伸縮系數(shù)，單位是。42/mC圖 2.1 壓電晶體的壓電效應(yīng)圖解壓電材料的這種壓電效應(yīng)的產(chǎn)

33、生，是由于壓電材料本身的特殊結(jié)構(gòu)方式?jīng)Q定的。壓電材料的晶格具有特殊的原子間排列方式，這種特殊的原子間排列方式會使得壓電材料具有應(yīng)力場與電場耦合的效應(yīng)。根據(jù)材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電瓷） 、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種。根據(jù)具體的材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類17。1）壓電單晶體壓電單晶體大多數(shù)為鐵晶體管。另外還包括石英、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁等晶體。這些鐵電晶體包括：a) 含氧八面體的鐵晶體管，例如鈦酸鋇晶體、具有鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰、鈮酸鉭和具8 / 89有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鍶鋇晶體；b) 含有氫鍵的鐵晶體管，例如磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、和磷酸氫鉛（

34、與磷酸氘鉛）晶體；c) 含層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍晶體等；目前應(yīng)用最廣泛的非鐵電性的石英壓晶體管、鐵典型壓晶體管鈮酸鋰和鈮酸鉭等壓電多晶體（壓電瓷） 。瓷的壓電性質(zhì)最早是在鈦酸鋇上發(fā)現(xiàn)的，但是由于純的鈦酸鋇瓷燒結(jié)難度較大，且居里點(diǎn)（120左右） 、室溫附近（5左右）有相變發(fā)生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不高。1950 年左右發(fā)明的鋯鈦酸鉛（簡稱：PZT）則是迄今為止使用最多的壓電瓷。2）壓電聚合物早在 1940 年，聯(lián)就曾發(fā)現(xiàn)木材具有壓電性。之后又相繼在苧麻、絲竹、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現(xiàn)了壓電性。1960 年發(fā)現(xiàn)了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969 年發(fā)現(xiàn)電極化后的聚偏二氟乙烯具

35、有較強(qiáng)的壓電性。具有較強(qiáng)壓電性的材料包括PVDF 與其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯等。3）壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見的壓電復(fù)合材料為壓電瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹脂）的兩相復(fù)合材料。這種復(fù)合材料兼具壓電瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。此外，壓電復(fù)合材料還具有壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2.1.3 壓電傳感器的工作原理2.1.3.1 工作原理本節(jié)以常見的壓電加速度傳感器為例來說明其工作原理。其余種類的壓電傳感器的工作原理也可通過類似的推理

36、而得出。壓電加速度傳感器即我們一般常用到的壓電加速度計(jì)，它是慣性測量和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要慣性元件之一，是典型的有源傳感器的一種。它是根據(jù)某些壓電材料的壓電效應(yīng)9 / 89原理來設(shè)計(jì)、制作的。其工作原理如下：當(dāng)加速度計(jì)經(jīng)受到振動或沖擊的時(shí)候，它部的質(zhì)量塊會同步在壓電晶體上施加相應(yīng)的作用力。并且在加速度計(jì)的固有頻率遠(yuǎn)高于被測物理量的振動頻率的情況下，該作用力的變化線性正比于被測加速度的大小。圖 2.2所示為壓電加速度傳感器的示意圖。圖 2.2 壓電加速度傳感器的原理示意圖在實(shí)際工作過程中，傳感器的基座和試件是剛性固定在一起的，因此在傳感器受到一定的外部作用后，由于彈簧的剛性系數(shù)較大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量較小

37、，可一般認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性較小18。在這樣的情況對比下，質(zhì)量塊和基座在同一個(gè)測試系統(tǒng)下受到一樣的外部沖擊作用時(shí)候，二者受到的慣性力的方向與加速度方向正好相反。因此，質(zhì)量塊就會在壓電元件上施加一大小正比于加速度的交變力的作用。根據(jù)壓電元件的壓電效應(yīng)理論，該作用力會在壓電元件的兩個(gè)極板上產(chǎn)生大小一樣、極性相反的電荷量（或電壓） 。通常情況下可以認(rèn)為，在傳感器的固有頻率遠(yuǎn)高于試件的振動頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷量（或電壓）與作用力成線性正比例關(guān)系19。即，由于 F=ma,ijQd F于是得到產(chǎn)生電荷量與試件加速度的關(guān)系式如下： (2.4)ijQd ma式中，為壓電材料的壓電常數(shù)(CN)；ijd m 為質(zhì)

38、量塊質(zhì)量； a 為試件振動加速度。2.1.3.2 靈敏系數(shù) 此處的靈敏度系數(shù)是指傳感器表面產(chǎn)生的電荷量與受到外力作用的加速度的比值大小。它是反映傳感器性能與特征的一個(gè)最重要的技術(shù)指標(biāo)20。根據(jù)上節(jié)的分析，壓電傳感器在受到外力作用時(shí)，其部會產(chǎn)生正比例與該作用力的電荷或電壓。故在描述傳10 / 89感器靈敏度也有電荷靈敏度和電壓靈敏度兩種描述方法。電荷靈敏度指傳感器輸出電荷量與所受到加速度的比值；電壓靈敏度是傳感器輸出電壓值與所受到加速度的比值大??；靈敏度系數(shù)越大，表明該傳感器在感受所受到的作用力（或加速度）時(shí)越敏銳，即使同樣微小的作用力（或加速度）在施加于靈敏度系數(shù)較大的傳感器時(shí)，該傳感器輸出的

39、電荷（或電壓）比其他傳感器輸出會高，即對被測量的反應(yīng)更顯著一些。2.1.4 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用與操作過程中，傳感器的結(jié)構(gòu)與固定方法會對整個(gè)測試系統(tǒng)的可靠性、精度、頻響等產(chǎn)生不可忽略的影響21。下面我們以常見的壓電加速度傳感器為例來分析它的結(jié)構(gòu)以與固定方法。如圖 2.3 所示為一般工程實(shí)踐中常見到的三種典型的傳感器的結(jié)構(gòu)安裝示意圖。主要包括彈簧、質(zhì)量塊、基座、壓電元件與夾持環(huán)的配套安裝方法。圖 a 所示下面與基座剛性相連接，上面的壓電元件、彈簧和質(zhì)量塊三者都統(tǒng)一安裝在中心軸線的方向上。這樣的結(jié)構(gòu)方式可以使得該系統(tǒng)的共振頻率比較高22。同時(shí)當(dāng)被測物體連接到基座后，如果基座 B 產(chǎn)生形變則會

40、使得拾振器輸出產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)該結(jié)構(gòu)方式的一個(gè)缺點(diǎn)是容易引起溫度漂移23。圖 c 為另一種常見的結(jié)構(gòu)安裝方式。該結(jié)構(gòu)中壓電元件處在中心軸向的直線方向上。它的優(yōu)點(diǎn)是共振頻率高，線性度穩(wěn)定24，并且當(dāng)?shù)鬃l(fā)生一定變形或者溫度變化時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)Υ擞泻芎玫母綦x作用避免其受到這些因素的影響。圖 b 為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)較為簡單，質(zhì)量塊直接粘到位于中心支柱上的壓電元件上面。該結(jié)構(gòu)安裝方式的缺點(diǎn)是粘結(jié)劑會隨溫度的增加而變軟25，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化給測試結(jié)果帶來誤差。 11 / 89圖 2.3 壓電式加速度計(jì)的三種結(jié)構(gòu)形式還有一個(gè)重要的特點(diǎn)是，傳感器頻率頻率響應(yīng)中的幅頻響應(yīng)的共振頻率直接決定了傳感器的上

41、限頻率26。該特性如圖 2.4 所示。壓電傳感器的阻尼系數(shù)較?。▃=0.1）時(shí)，其上限頻率一般取為共振頻率的三分之一，如此可以使得傳感器幅值誤差小于 1dB；如果上限頻率為共振頻率的五分之一，可進(jìn)一步確保測試精度，傳感器幅值誤差可以降到小于 0.5dB 的水平27，同時(shí)相位差小于 3 度。但是在實(shí)際使用過程中，共振頻率的大小會受到傳感器的固定情況的影響，而我們一般情況下參考的傳感器資料中顯示的幅頻曲線圖是在剛性連接的固定方式下根據(jù)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算得出的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。如果以此來推斷實(shí)際測試中的幅頻曲線值，由于現(xiàn)實(shí)中的固定方法比較不易于達(dá)到剛性連接的要求，因此現(xiàn)實(shí)情況下的傳感器的這些參數(shù)值都會低于參考資料中

42、給出的具體數(shù)值。圖 2.4 壓電加速度傳感器的幅頻特性曲線12 / 892.1.5 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器在通常情況下也被當(dāng)做是一個(gè)電荷源。因?yàn)樗谑艿窖仄涿舾休S方向上的外部作用力時(shí)，其壓電材料的表面會產(chǎn)生相應(yīng)量的電荷，且大小相等、極性相反。這從另一個(gè)角度來看，又相當(dāng)于一個(gè)電容器28，且這個(gè)電容器的電解質(zhì)就是壓電晶體本身。電容量的大小可由下式求得(2.5)0aAC式中壓電傳感器的部電容(F)；aC 真空介電常數(shù)();1Fm壓電材料的介電常數(shù)();012108.85 10Fm壓電材料極板間的正對面積();A2m壓電元件的厚度(m)。假設(shè)傳感器受到的外部作用力為 F，依據(jù)前面提到的壓電效應(yīng)

43、理論，壓電元件兩極板上生成的電荷量 Q 為：(2.6)ijijQd Fd Ma其中為壓電常數(shù)，M 為質(zhì)量塊，在被測量振動頻率較低時(shí)，傳感器的輸出電荷和ijd加速度成正比例線性關(guān)系。壓電傳感器的等效電路可看做是電荷源與電容器的并聯(lián)，如圖 2.5(a)所示。圖中 Ri 為絕緣電阻，絕緣電阻非常大，一般在 1091014歐姆之間從而可看做是開路的。這種情況下可認(rèn)為電荷 Q 對電容進(jìn)行充電，充電電壓可由下式aC得到： (2.7)/aUQ C我們在前面已經(jīng)分析過，壓電傳感器可以輸出電荷量，也可以輸出電壓量，因此可得到壓電傳感器的電壓等效電路如圖 2.5(b)所示，其中。aQUC13 / 89圖 2.5

44、壓電傳感器的等效電路圖由圖 2.5 可見，當(dāng)壓電傳感器的部沒有漏電電荷，且電路的負(fù)載電阻趨于無窮大時(shí)，根據(jù)電荷守恒定律，傳感器受壓產(chǎn)生出來的電壓量才可以被完整儲存下來。一般實(shí)際情況中由于電阻不可能無窮大，所以電路會不可避免的進(jìn)行放電，且放電時(shí)間常數(shù)為29。RC所以當(dāng)被測量為一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)或者說頻率值比較低的信號是，為了充分測得該靜態(tài)量必須使得電路的放電時(shí)間常數(shù)盡量大，一般是采取令負(fù)載電阻具有相當(dāng)高的阻值。這樣在測量時(shí)由于放電電路的存在而造成的電荷損失才會降到最低，從而最大限度的保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。壓電傳感器與后續(xù)測量電路匹配連接時(shí)，其等效電路如圖 2.6所示。 （a） 、 （b）分別為等效電路的

45、電壓與電荷模式，雖然電路參數(shù)不盡一樣，但根據(jù)電路原理二者其實(shí)是等效的30，只不過在不同的情況下為了分析的方便而采取的不同形式。圖 2.6 壓電傳感器測試系統(tǒng)的等效電路該測試系統(tǒng)的等效電路中引入許多參數(shù)如：傳輸電纜的電容、放大器的輸入阻抗、傳感器自身的絕緣電阻等31。這些參數(shù)在以后的分析中將會被再次提與到。它們是該電路的最重要、最基本的參數(shù)。14 / 892.2 壓電傳感器測量電路原理分析壓電傳感器測量電路原理分析由上節(jié)壓電傳感器的等效電路分析可以看出，壓電傳感器由于具有很高的阻不利于其將電荷量（或電壓）完整輸出給后續(xù)電路。為了較好解決這個(gè)問題，需要前置放大器也具有極高的輸入阻抗，以確保電荷可以

46、完整地、不泄露地輸入給后接電路中。在多年的工程實(shí)踐中積累下來的常見的前置放大器有兩種，電壓放大器和電荷放大器。本章先重點(diǎn)分析電壓放大器，電荷放大器的部分將在下一章中做詳細(xì)闡述。2.2.12.2.1 電壓放大器電壓放大器的作用是拾取壓電傳感器輸出的微弱電荷量，并進(jìn)行信號放大，同時(shí)可以將壓電傳感器原本的高阻抗輸入量變換為低阻抗的輸出量，從而利于后續(xù)電路的進(jìn)一步處理。電壓放大器的等效電路如圖 2.7 所示。其中 / /aiaiaiR RRRRRR (2.8)ciCCC圖 2.7 電壓放大器的等效電路與其簡化電路為了便于分析，我們現(xiàn)在假設(shè)壓電晶體受到的外部作用力大小為F（） 。其中壓電晶體材料選為常見

47、的壓電瓷，其壓電系數(shù) d。在這種情況sinmFFt下，由于受到力 F 而產(chǎn)生的電壓為 (2.9)sinmUUt式中，是電壓幅值， 。.iU/mmaUdFC15 / 89為了分析的方便，將圖 2.7 中電壓放大器輸入端的電壓為寫成復(fù)數(shù)的形式，則iU得到在不同角頻率時(shí)輸出電壓可以用下式表示： (2.10).1()iaj RUd Fj R CC通過上式可分別計(jì)算出輸出電壓的幅值大小以與輸出電壓和被測量之間的相位差，表示如下： (2.11)2221()arctan()2mimaciacidFRUR CCCCCC R通過上式可以看出，角頻率較大時(shí)滿足，在這種情況下222()1aciR CCC放大器輸入端

48、的電壓幅值大小可近似看作與被測頻率沒有關(guān)系。這時(shí)的放大器輸入電壓幅值可用下式表示為： (2.12)mimacidFUCCC并且在被測頻率較高時(shí)，傳感器的電壓靈敏度可通過下式表示為： (2.13)imumaciUdkFCCC由以上兩公式可以看出，電壓放大器的靈敏度受到傳輸電纜電容、放大器輸入電容因素的較大影響。在實(shí)際測量中使用電壓放大器時(shí)，由于這些因素的影響，其靈敏度會受到較大波動，即使用不同長度的傳輸電纜，電壓放大器的靈敏度就會不同，這在實(shí)際應(yīng)用中給操作帶來了諸多的麻煩且引入了不必要的測試誤差。這也就是電壓放大器在測量系統(tǒng)的使用中的最大缺點(diǎn)，因此現(xiàn)在電壓放大器已經(jīng)用得較少，基本已被電荷放大器取

49、代。2.32.3 電荷放大器的各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)電荷放大器的各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)典型電荷放大器的組成如圖 2.8 所示。它主要由電荷轉(zhuǎn)換電路(電荷放大級)、調(diào)理放大電路、有源濾波電路、輸出放大電路以與過載指示電路等部分組成。16 / 89壓電傳感器電荷轉(zhuǎn)換電路歸一化電路有源濾波電路輸出放大電路過載指示電路電荷放大器電荷放大器電壓輸出圖 2.8 本文設(shè)計(jì)的電荷放大器的電路組成框圖壓電晶體在收到?jīng)_擊、振動時(shí)，其表面產(chǎn)生微弱電荷信號，首先經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)換級電路由高阻電荷量轉(zhuǎn)化為低阻電壓信號，方便后續(xù)電路的進(jìn)一步調(diào)理；再經(jīng)過歸一化電路根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試放大，送入有源濾波電路進(jìn)行高低通的濾波，提高信噪比，

50、最后通過輸出放大電路輸出合適的電壓值。且在這一過程中如果電壓超過設(shè)定量程，會通過過載指示電路顯示已經(jīng)過載超過額定值。電荷轉(zhuǎn)換級是整個(gè)電荷放大器的最關(guān)鍵部件，它負(fù)責(zé)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換并將拾取的電荷信號積分為相應(yīng)比例的電壓信號。歸一化電路的作用是：不同靈敏度的壓電傳感器在接受到等量模擬量后通過歸一化電路會進(jìn)行合適的適調(diào)放大，從而會輸出一樣的電壓值。有源濾波電路由高低通有源濾波器組成，通過設(shè)定合適的截止頻率濾除掉有用信號中混雜的高低頻干擾信號。輸出放大電路的功能是最終輸出恰當(dāng)?shù)碾妷盒盘枺奖愫罄m(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)的記錄、顯示和進(jìn)一步處理。過載指示電路的作用是防止電荷放大器的輸出值超過設(shè)定的額定值，確保放大器工作

51、在線性工作圍。2.3.1 電荷放大級電荷放大器的最核心、最重要的部件是電荷轉(zhuǎn)換級電路。因?yàn)樗P(guān)系著被測信號的獲取是否準(zhǔn)確、精確，通過它才能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘柅@取到。并可以對該電荷信號進(jìn)行電荷、電壓轉(zhuǎn)換從而輸出合適大小的電壓值。它一般有運(yùn)算放大器17 / 89和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。2.3.1.1 元器件選型1、集成運(yùn)放的選擇運(yùn)算放大器一般是在集成運(yùn)放的基礎(chǔ)上，通過搭建合理恰當(dāng)?shù)耐鈬娐罚ū热绾线m的電阻、電容值）來達(dá)到對輸入信號進(jìn)行一定運(yùn)算的信號轉(zhuǎn)換電路。它的主要模塊一般由集成運(yùn)放構(gòu)成，所以集成運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)與性能表現(xiàn)會直接影響到運(yùn)算放大器的表現(xiàn)優(yōu)劣。本文中對集成運(yùn)放的選擇主要考慮這些重

52、要的特點(diǎn)：工作頻帶帶寬要寬、很高的電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻和低輸出電阻以與較低的漂移效應(yīng)。在過往的運(yùn)算放大器中人們使用較多的是場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor） ，它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，并具有輸入電阻高（108109） 、噪聲小、功耗低、動態(tài)圍大等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著集成電路的進(jìn)一步發(fā)展，CMOS 晶體管(Complementary Metal Oxide Semiconductor)被應(yīng)用的越來越多。它不僅具有高阻抗、低功耗的特點(diǎn)，還在原來基礎(chǔ)上顯著提高了電路的集成度和性能，降低了設(shè)計(jì)成本。本文選用 BB 公司出產(chǎn)的OPA340 或 OPA301 集成運(yùn)放芯片。以

53、 OPA301 為例，其引腳如圖 2.9 所示。圖 2.9 OPA301 芯片引腳圖集成運(yùn)放芯片 OPA301 具體的性能參數(shù)是：輸入阻抗高達(dá) 1013歐，單位增益帶寬積可達(dá) 150MHz，開環(huán)增益為 100dB 等。圖 2.10 是 OPA301 芯片的部原理圖。18 / 89圖 2.10 OPA301 的部電路原理圖2、反饋電容的型號選擇從另一個(gè)角度來看，電荷轉(zhuǎn)換級電路可以看作是一個(gè)負(fù)反饋型的積分放大器。所以以此來分析，也可以推斷出其反饋電容的選擇要求。比如反饋電容一般應(yīng)該具有泄露電阻高的特點(diǎn)，另外它的吸附效應(yīng)、時(shí)間和溫度穩(wěn)定性也是應(yīng)該考慮在的重要因素。例如，為了擁有較好的精確性和可靠度，

54、實(shí)際工程應(yīng)用中往往選用精密聚苯乙烯電容。因?yàn)樗哂辛己玫姆€(wěn)定性和較高的絕緣電阻，精度可以達(dá)到 0.5%以下。一般輸出電壓在 110V 圍變化為宜，為保證電路的增益和避免因寄生電容得影響給電路調(diào)試和使用造成困難，反饋電容不宜取得過大或過小。本文設(shè)計(jì)的電荷轉(zhuǎn)換級電路如圖 2.11 所示。圖 2.11 電荷轉(zhuǎn)換級電路圖19 / 892.3.2 歸一化級電路設(shè)計(jì)歸一化電路屬于電荷放大級的前端放大級，它可以將電壓信號進(jìn)行放大，并且還有根據(jù)需要進(jìn)行歸一化處理的功能。它可以將不同靈敏度的壓電傳感器在接受到等量的輸入信號后通過適宜的適調(diào)放大，使不同的電路輸出一樣即歸一化的電壓值。這樣可以提高對不同圍的被測量的

55、測試精度，加大電荷放大器的使用圍和可靠程度。2.3.2.1 歸一化電路級理論分析所謂歸一化電路的意思是當(dāng)壓電傳感器接收到的被測量為一定值時(shí)，即使采用不同靈敏度的傳感器去測量該非電量，仍然會輸出一樣的電壓值，方便后續(xù)電路的記錄、采集和進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。譬如現(xiàn)在有兩只靈敏度不同的壓電加速度傳感器去測量同一加速度物理量。而它們的靈敏度分別為和，電荷轉(zhuǎn)換級的反饋網(wǎng)絡(luò)的積分電容110/QKpC g24/QKpC g為，那么這兩只傳感器的靈敏度分別計(jì)算如下1000fCpF110.010/QUfKKVgC (2.14)220.004/QUfKKVgC在這種情況下，我們設(shè)置歸一化電路的電壓放大倍數(shù)分別為、，則1

56、2A 25A 測量一個(gè) g 時(shí)，這兩只不同靈敏度通過歸一化電路后的輸出電壓值分別為1110.020oUVA KgV (2.15)2220.020oUVA KgV 由上式計(jì)算結(jié)果可知，兩只不同靈敏度的壓電傳感器在經(jīng)過歸一化電路的處理后得到了一樣幅值的電壓輸出，從而達(dá)到了歸一化的要求并且適合于后續(xù)電路的進(jìn)一步處理分析。20 / 892.3.2.2 歸一化電路設(shè)計(jì)1、比例放大電路的對比分析本文設(shè)計(jì)的歸一化電路模塊主要由比例放大電路組成，主要負(fù)責(zé)對電路信號根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪m調(diào)放大處理，傳統(tǒng)的比例放大器有同相放大器和反相放大器兩種。下面我們將對比的介紹和分析這兩種運(yùn)算放大電路的原理以與二者的區(qū)別之

57、處，并根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇恰當(dāng)?shù)囊环N運(yùn)算放大電路作為歸一化電路模塊的主要組成部分。（1）反比例運(yùn)算放大器反相比例運(yùn)算放大電路在實(shí)際工程實(shí)踐中應(yīng)用的非常多，是一種非常優(yōu)異、實(shí)用的運(yùn)算放大器。圖 2.12 所示即為其原理圖，輸入電壓經(jīng)電阻 R1 加到集成運(yùn)放的反相輸入端，其同相輸入端經(jīng)電阻 R2 接地，輸出電壓經(jīng)過電阻 Rf 接回到反相輸入端。我們已經(jīng)知道，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端其實(shí)就是運(yùn)放部輸入級的兩個(gè)差分對管的基極。為了保證差動電路的參數(shù)對稱，設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)輸入端對地的電阻值盡量一致。這樣可以有效避免在靜態(tài)時(shí)，電流流過這兩個(gè)電阻在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓。所以我們令 R2 的電阻值滿足。經(jīng)過模擬

58、電路的分析可以得出該電路的電壓放21/ /fRRR大倍數(shù)可由下式表示 (2.16)01fVFiRVAVR 根據(jù)模擬電路的知識可以分析出反相比例運(yùn)算電路的輸入電阻，輸出電阻1iRR為零。為了避免由于反饋電太大阻引起電路的噪聲和漂移，我們一般取反饋電阻幾十千歐到幾百千歐之間，盡量不超過一百千歐。圖 2.12 反相比例運(yùn)算電路21 / 89（2）同相比例運(yùn)算放大電路圖 2.13 所示為同相比例運(yùn)算電路的原理圖。與反相運(yùn)算放大電路不同的是，輸入電壓通過一個(gè)電阻 R2 接到同相輸入端上。并且為了保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓通過反饋電阻 Rf 仍接到反相輸入端，同時(shí)反相輸入端通過電阻 R1 接地。為了保證

59、集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端對地的電阻一致，R2 的阻值應(yīng)為。由以上分析可知同相21/ /fRRR放大電路中引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋，仍然可以利用理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的“虛短”和“虛斷”特點(diǎn)來分析其電壓增益的大小值。其電壓放大倍數(shù)為 (2.17)011fVFiRVAVR 圖 2.13 同相比例運(yùn)算電路根據(jù)上述兩種比例運(yùn)算放大器的對比分析結(jié)果，并針對本設(shè)計(jì)中的具體要求，我們采用反相比例運(yùn)算放大器作為歸一化電路模塊的核心部分。2、電路原理圖圖 2.14 為本文設(shè)計(jì)的歸一化電路圖。在實(shí)際工作時(shí)可以通過波段開關(guān)選擇適合不同要求的恰當(dāng)?shù)?R8 阻值以進(jìn)行歸一化處理的操作，為了達(dá)到和壓電傳感器增益的匹配也可以通過

60、改變 R8 來調(diào)節(jié)歸一化電路的增益。電路中還引入了濾波電容使得由紋波電壓引起的電源干擾得到較大程度上的避免。運(yùn)算放大器的同相輸入端所接的電阻 R9，是該電路中的直流平衡電阻。22 / 89圖 2.14 歸一化電路原理示意圖2.3.3 有源濾波電路模塊設(shè)計(jì)有源濾波電路模塊分為低頻濾波電路和高頻濾波電路，下面我們將依次介紹著兩種濾波電路的特性與作用。2.3.3.1 低通濾波電路設(shè)計(jì)從測試系統(tǒng)的特征與種類來分，壓電傳感器屬于典型的弱阻尼振動系統(tǒng)，會對被測信號量引入噪聲干擾產(chǎn)生不小的失真降低信號的信噪比32。所以為了避免由壓電傳感器自身引起的高頻幅頻特性的失真，我們需要在濾波電路中先采用低通濾波器來濾