压电式传感器的测量电路优化方案

压电器件既然是一个有源电容器，必然存在与电容式传感器一样的应用弱点，即高内阻和小功率的问题，应加以解决。首先，由于功率小，输出能量微弱，必须进行前置放大；其次，由于高内阻，必须进行前置阻抗变换，将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。因此，前置放大器有两个作用：一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。

压电式传感器的测量电路——前置放大器，对应于电压源和电荷源，有两种形式：电压放大器和电荷放大器。

1）电压放大器

图5.11（a）可简化为图5.12的形式，其中R为Rd和Ri的并联等效电阻，C为Cc和Ci的并联等效电容，即

图5.12　电压放大器简化电路

若压电元件上沿电轴方向施加交变力，则产生的电荷和电压均按正弦规律变化，其电压为

由式（5.14）和式（5.15）得到电压幅值比、相角φ与频率比（ω/ω1）的关系曲线，如图5.13所示。

图5.13　电压幅值比、相角与频率比的关系曲线

由图5.13看到：

①当ω＝0，即作用于压电元件上的是一个静态力时，前置放大器的输入电压为零，因为电荷通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉了。因此，压电式传感器不能用于静态测量。

②当，即1＜ωτ＜3时，前置放大器的输入电压及相角均与ω有关。

③当时，，φ→0，可近似认为输入电压与作用力的频率无关，因此，压电式传感器的高频响应比较好，对于测量高频交变力非常理想。图5.14所示是由运算放大器构成的电压比例放大器，该电路输入阻抗极高，输出阻抗很小，是一种较理想的石英晶体的电压放大器。(www.xing528.com)

图5.14　运算放大器式电压放大器

2）电荷放大器

如图5.15所示，电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大器，其等效电路中忽略了Rd和Ri的并联等效电阻R。

图5.15　常用的电荷放大器的等效电路

图中A为运算放大器增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗，因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近放大器的输出电压，即

由式（5.18）和式（5.19）可以看出，电荷放大器的输出电压与电荷q成正比，相位差180°，且U0和K与电缆电容Cc无关，而电压放大器的输出电压随传感器输出电缆的电容而变化。因此，在实际测量中，主要使用电荷放大器，这时的压电传感器在使用中不会因电缆的长度变化或其他变化而影响测量结果。

电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的Ce和电缆的Cc、Rc，即

由于Ce、Cc、Rc通常很小，高频上限fH可高达180 kHz。

由于A很大，电荷放大器的低频下限只取决于反馈回路参数Rf、Cf，与电缆电容无关，即

运算放大器的时间常数RfCf可变得很大，因此电荷放大器的低频下限fL可低到10－1～10－4Hz，近似准静态。