低頻荷載下PVDF壓電薄膜檢測電路的研究

孫晶晶，宋壽鵬，鮑業(yè)如，王希飛，劉文龍

(江蘇大學 儀器科學與工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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低頻荷載下PVDF壓電薄膜檢測電路的研究

孫晶晶，宋壽鵬，鮑業(yè)如，王希飛，劉文龍

(江蘇大學 儀器科學與工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對PVDF壓電薄膜傳感器內(nèi)阻大、低頻荷載下輸出信號微弱以及易受外界噪聲干擾的問題，設計了一種由雙電容負反饋差分電荷放大電路和二階低通濾波電路組成的檢測電路。在0.2 ～20 Hz低頻荷載下分別用該檢測電路和傳統(tǒng)檢測電路對PVDF壓電薄膜傳感器進行檢測，并將實驗結果進行了對比分析。結果表明，該檢測電路的輸出電壓幅值提高了90%，且具有較強的抗干擾能力，能降低后級電路信號處理的難度。

PVDF壓電薄膜；低頻；電荷放大電路；濾波電路

PVDF薄膜厚度通常為幾十μm，用其制成的傳感器響應較快(ns量級)，靈敏度較高，在0～20 GPa范圍內(nèi)均有較好的信號輸出[1-3]。但由于PVDF傳感器內(nèi)阻大，且低頻輸出信號微弱[4-5]。因此，PVDF薄膜傳感器低頻荷載條件下的測試存在以下不足：(1)輸入電荷易通過放電回路泄露；(2)電荷放大電路的輸入阻抗較高易受外界干擾，從而使電荷放大器引入共模干擾。傳統(tǒng)的電荷放大電路對輸入電荷不能完全積累且有用信號中混入較多的噪聲。本文使用的雙電容負反饋差分電荷放大電路，增加了電荷的積累量，同時也能抑制共模干擾，提高了PVDF薄膜傳感器低頻荷載條件下的測量精度。

1 電路設計

1.1 電荷放大器

PVDF薄膜傳感器的輸出阻抗較高，為實現(xiàn)將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，且放大輸出的微弱信號，需要在檢測電路中接入電荷放大電路[6-8]。PVDF與電荷放大器構成的等效電路如圖1所示。

圖1 PVDF與電荷放大器構成的等效電路

忽略噪聲和失調(diào)電壓的影響，電荷放大器的輸出電壓為

(1)

式中，Cs為壓電傳感器的等效電容；Rs為壓電式傳感器的等效絕緣漏電阻；Cc為電纜等效電容；Ci和Ri分別為運算放大器的輸入電容和輸入阻抗；Cf為反饋電容；Rf為反饋電阻；Q為輸入電荷。

Cf、Rf等效到放大器的輸入端時，等效電阻為R/(1+K)；等效電容為C(1+K)；K為運放的開環(huán)增益；ω為傳感器供電角頻率；運算放大器K較大(約104～106)，(1+K)/Rf?1/Rs+1/Ri，(1+K)/Cf?Cs+Cc+Ci，Ci、Cc、Cs、Ri和Rs忽略不計，則有

(2)

本文使用雙電容差分電荷放大電路，與傳統(tǒng)的具有單電容負反饋電荷放大電路相比，能使壓電傳感器的輸出電荷在負反饋上完全積累，同時能抑制共模干擾。

1.2 模型建立與仿真

為證明電路中混有的共模干擾對電路信號的輸出影響及電路的抗干擾性能，用Multisim對單電容負反饋及雙電容負反饋的電荷放大電路分別仿真。

圖2(a)是單電容負反饋電荷放大電路的仿真模型。I1和I4模擬共模干擾信號；I2和I3為壓電薄膜傳感器輸出信號；C3為傳感器等效電容及電纜等效電容之和。仿真結果如圖2(c)所示，由于共模干擾的影響，電荷放大電路的輸出信號為有用信號及共模干擾信號的疊加。

雙電容負反饋差分電荷放大電路仿真電路模型，如圖2(b)所示，仿真結果如圖2(d)所示。通過對比圖2中(d)與圖2(c)發(fā)現(xiàn)，差分電荷放大電路較好地抑制了共模干擾信號。

圖2 電路模型及仿真結果

1.3 測試電路圖

由于在實驗中測試的是低頻信號，因此在電荷放大電路后接入二階低通濾波電路來衰減信號中高頻噪聲。選取較低的截止頻率，同時也可擴大應變的變化范圍，亦可大幅提高檢測準確性。在二階低通濾波電路中，當fc=50Hz時，取C3=C4=0.1μF，R9=R10=32kΩ，R11=R12=128kΩ，測試整體電路如圖3所示。

圖3 測試電路原理圖

2 實驗與結果分析

本文先通過信號發(fā)生器產(chǎn)生標準的低頻正弦信號的激勵方式來激振懸臂梁實現(xiàn)PVDF薄膜傳感器的結構應變，其受力產(chǎn)生電荷，接入雙電容負反饋電荷放大電路、二階低通濾波電路進行電荷放大和濾波。系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)原理框圖

實驗所檢測的對象是尺寸為10mm×23mm的PVDF壓電薄膜傳感器(壓電常數(shù)d31=21pC·N-1，楊氏模量3 000Mpa)，實驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 實驗系統(tǒng)

實驗所檢測的信號是動態(tài)信號，為保證信號經(jīng)過檢測系統(tǒng)后不失真、不發(fā)生畸變。設置信號發(fā)生器輸出正弦波信號，幅值控制在1～3V之間。

為減小實驗誤差，對PVDF壓電薄膜傳感器進行多次檢測，并記錄下激勵頻率為0.2Hz、0.5Hz、1Hz、15Hz時的單電容負反饋電荷放大電路和雙電容負反饋電荷放大電路的輸出電壓幅值的平均值，如表1所示?？梢钥闯?，雙電容負反饋電荷放大電路輸出電壓幅值小于單電容負反饋電荷放大電路輸出電壓幅值的2倍，因單電容負反饋電荷放大電路輸出信號中混入噪聲干擾信號，使得其輸出電壓幅值偏大。由此可知,設計的電路有效地消除了共模噪聲的干擾，且輸出電壓幅值有較大的提高。

表1 不同頻率下對應的輸出電壓幅值

3 結束語

根據(jù)壓電薄膜傳感器在低頻荷載下的輸出特點，本文設計的雙電容負反饋差分電荷電路有效地降低了共模干擾，增強了電路的穩(wěn)定性和可靠性，且降低了后級電路信號處理的難度。

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Research on PVDF Piezoelectric Film Detecting Circuit in Low Frequency Load

SUN Jingjing，SONG Shoupeng，BAO Yeru，WANG Xifei，LIU Wenlong

(Department of Instrument Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

A detecting circuit consisted of differential charge amplifier circuit with two capacitances feedback and two order low pass filter circuit is designed to solve the problem of high impedance of PVDF piezoelectric film sensor, weak output signal in low frequency load and being easily interrupted by external noise. An experiment of PVDF piezoelectric film sensor in low frequency load of 0.2～20 Hz is done in this thesis. The results of the above circuit and traditional circuit are compared. Results show that output voltage amplitude increases 90% and there is strong anti-interference ability using above circuit. Subsequent circuit is easier to process signal.

PVDF piezoelectric film; low frequency; charge amplifier circuit; filter circuit

2016- 01- 11

孫晶晶(1988-)，女，碩士研究生。研究方向： 智能儀器。宋壽鵬(1967-)，男，博士，教授。研究方向：超聲波檢測新原理及檢測設備。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.012

TN722.7

A

1007-7820(2016)11-038-03