壓電加速傳感器應(yīng)用電路分析
2013-06-04 07:09:12李閆臻
李閆臻
【摘 要】壓電加速傳感器是利用壓電效應(yīng)測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)力的一類傳感器，主要應(yīng)用于加速度、壓力、力的測(cè)量中，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)與自動(dòng)化生產(chǎn)過程的非電物理量的測(cè)量和控制技術(shù)可。本文分析了壓電加速傳感器的測(cè)量電路，提出了一種新型的測(cè)量電路設(shè)想，有一定理論價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】壓電加速傳感器；測(cè)量電路；應(yīng)用電路
0.引言
在現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)中，需要大量非電物理量的測(cè)量以及過程控制，其中涉及到大量動(dòng)態(tài)測(cè)量問題，壓電加速傳感器利用壓電效應(yīng)，可以有效的測(cè)量加速度、壓力、力等參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)中，但壓電加速傳感器所產(chǎn)生的電荷量很小，如果采用一般測(cè)量電路工作，輸入阻抗過小會(huì)造成電阻迅速泄漏產(chǎn)生測(cè)量誤差，因此必須有與之配套的測(cè)量電路，才能保證壓電加速傳感器的工作可靠性。目前一般采用電荷放大器作為壓電加速傳感器的測(cè)量電路，但這種電荷放大器電路較為復(fù)雜，性價(jià)比不高且穩(wěn)定性不強(qiáng)。下面，本文擬采用TL081運(yùn)放芯片優(yōu)化壓電加速傳感器的測(cè)量電路，以簡(jiǎn)化電路降低功耗，降低壓電加速傳感器測(cè)量電路的制作與調(diào)試成本，促進(jìn)壓電加速傳感器的推廣運(yùn)用。
1.壓電加速傳感器的電輸出特性
1.1晶體壓電效應(yīng)
某些晶體在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象并在表面產(chǎn)生相反的電荷，當(dāng)外力消失后又會(huì)回復(fù)至不帶電狀態(tài)，外力作用方向發(fā)生變化時(shí)，所產(chǎn)生電荷極性會(huì)隨之改變，同時(shí)所產(chǎn)生的電荷與外力大小成正比關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，壓電加速傳感器正是利用晶體的這種壓電效應(yīng)作為轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行工作的自發(fā)式傳感器。
1.2壓電加速傳感器的工作原理
壓電加速傳感器的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊、壓電元件、支座三個(gè)部分，支座直接與待測(cè)物剛性固定，待測(cè)物運(yùn)動(dòng)時(shí)支座會(huì)與待測(cè)物一起運(yùn)動(dòng)，處于中間的壓電元件因質(zhì)量塊和支座的原因，受到慣性力的作用而在晶體表面產(chǎn)生交變電荷。在振動(dòng)頻率處于一定范圍時(shí)，該電荷的大小與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)放大器放大后，即可利用一般的測(cè)量?jī)x器來測(cè)量電荷的大小，再對(duì)比轉(zhuǎn)化為物體加速度。
1.3壓電加速傳感器的測(cè)量電路
由于壓電加速傳感器內(nèi)阻很高，所產(chǎn)生的電信號(hào)十分微弱，很難直接對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行顯示和記錄，必須進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大處理。目前，一般采用增加前置放大電路的方法，一方面將微弱的電信號(hào)方大， 另一方面將高阻抗變?yōu)榈妥杩?。由于壓電傳感器的等效電路有電壓輸出和電荷輸出兩種，因此前置放大電路也有電壓放大和電荷放大兩種。電壓放大器將高阻抗變?yōu)榈妥杩?，同時(shí)將電壓信號(hào)放大；電荷放大器則是將輸出電壓正比于輸入電荷。
2.電荷放大器電路分析
2.1電荷放大器基本原理分析
壓電加速傳感器測(cè)量電路中所使用的電荷放大器，實(shí)際上是一種負(fù)反饋放大電路，通過電荷放大器，能獲得同輸入電荷成比例的輸出電壓，將高內(nèi)阻電荷源轉(zhuǎn)化為低內(nèi)阻電壓源。電路輸入電纜長(zhǎng)度和運(yùn)算放大器頻響都會(huì)對(duì)電荷放大器的頻率上限產(chǎn)生影響，如果輸入電纜過長(zhǎng)，將會(huì)增加雜散電容和導(dǎo)線自身電阻，從而對(duì)放大器的高頻特性產(chǎn)生不良影響。
2.2電荷放大器電路分析
電荷放大器一般包括電荷轉(zhuǎn)換元件、適調(diào)放大器元件、濾波器、過載指示器、穩(wěn)壓電源等幾個(gè)部分。電荷轉(zhuǎn)換元件是電荷放大器的核心元件，將壓電傳感器的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在理想情況下電荷轉(zhuǎn)換元件部分電路的輸入電阻應(yīng)當(dāng)達(dá)到無窮大。目前所采用的集成高阻輸入級(jí)運(yùn)放，其輸入阻抗已經(jīng)可達(dá)1012Ω，有效降低了場(chǎng)效應(yīng)管的需要，極大的簡(jiǎn)化了電荷轉(zhuǎn)化元件。T1081芯片輸入阻抗為1012Ω，同時(shí)還集成了內(nèi)部調(diào)零電路，能有效的滿足電荷轉(zhuǎn)換元件輸入電阻的需要，可以有效的提高電荷轉(zhuǎn)換電路集成度，并降低系統(tǒng)成本。不過，為了保證測(cè)量精度，其反饋電容的精度必須保證在0.5%以下，一般采用精密聚苯乙烯電容。
2.3電荷放大器噪音干擾和漂移分析
電荷放大器對(duì)噪音干擾極為敏感，其主要干擾源主要存在于分布電容耦合至輸入端，以及電纜引入線。當(dāng)50赫茲市電通過分布電容耦合至輸入端以及電纜引起入線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的干擾信號(hào)，因此必須在電荷放大器輸入端做好屏蔽以等效交流干擾源。此外，電荷放大器對(duì)漂移也極為敏感，電荷放大器的漂移主要來源于輸入電路存在的失調(diào)電壓和失調(diào)電流，在構(gòu)建電路時(shí)，一般在放大器級(jí)間增加隔真電容，以減少直流漂移，最終實(shí)現(xiàn)電荷放大器的零漂移。
2.4電荷放大器低通濾波元件分析
壓電加速傳感器實(shí)際上是一個(gè)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，其高頻段存在一個(gè)極高的共振峰，會(huì)造成高頻噪聲，使輸入信號(hào)失真并形成干擾。為了避免高頻噪聲所造成的信號(hào)失真和干擾效應(yīng)，需要在電荷放大器中增加低通濾波器，從而補(bǔ)償高頻幅頻。此外，不少系統(tǒng)的電荷放大器設(shè)計(jì)通頻帶一般都高于實(shí)際需要，無用的高頻頻帶也會(huì)對(duì)低頻測(cè)量帶來負(fù)面影響，利用低通濾波器可以使無用高頻分量衰減，而讓低頻交流分量順利通過。目前所使用的濾波器有LC和RC兩類，無源RC線路簡(jiǎn)單，具有較好的抗干擾性，低頻范圍工作性能較好，但其阻抗頻率的諧振性能較差，在使用中需要增加運(yùn)算放大器等有源元件構(gòu)成有源RC低通濾波系統(tǒng)。
2.5輸出放大電路分析
輸出放大電路包括高通濾波和同相電壓放大兩部分，在電荷轉(zhuǎn)換時(shí)電路直流放大倍數(shù)極大，使得輸出零點(diǎn)跳動(dòng)增加，同時(shí)還存在直流漂移的影響，因此必須在低通濾波系統(tǒng)后面增加一個(gè)高通濾波系統(tǒng)，以減去直流漂移的影響。但增加了高通濾波系統(tǒng)后信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減，同時(shí)整機(jī)的增益還需改變，因此還需要在高通濾波系統(tǒng)后面增加同相電壓放大器，以保證輸出信號(hào)與壓電加速傳感器輸出信號(hào)同相位。
2.6穩(wěn)壓電源和過載指示電路分析
在壓電加速傳感系統(tǒng)中，需要先將軍220V市電轉(zhuǎn)化為了20V交流，再將20V交流進(jìn)行整流，最終再將整流的電壓接入作為供電電源。為了避免整流后的直流電壓紋波電壓的影響，需要在電源端接入濾波電容，以避免紋波電壓的干擾。過載指示電路則是為了監(jiān)視電荷放大器的工作狀態(tài)，當(dāng)電壓過載時(shí)發(fā)出指示信號(hào)。
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