壓電傳感器放大電路設(shè)計(jì)

陳玉偉，張 叢

（青島航天半導(dǎo)體研究所有限公司，青島 266071）

壓電傳感器放大電路設(shè)計(jì)

陳玉偉，張 叢

（青島航天半導(dǎo)體研究所有限公司，青島 266071）

為了提高壓電傳感器的固有頻率，減小傳感器的體積，采用高輸入阻抗的儀表放大器，設(shè)計(jì)研究了用于壓電傳感器的放大電路，通過(guò)改變放大電路輸入回路偏置電阻的電阻值，得到了比常規(guī)方法更加簡(jiǎn)單、有效的簡(jiǎn)單放大電路，實(shí)現(xiàn)了小體積下的一體化壓電傳感器較好的頻率響應(yīng)和良好的線性度。

壓電；傳感器；電路設(shè)計(jì)

引言

壓電傳感器是用于動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器，雖有低頻響應(yīng)差、不能測(cè)量靜態(tài)信號(hào)的缺點(diǎn)，但與壓阻傳感器相比，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、頻響寬的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于壓力、位移、速度、加速度及沖擊信號(hào)的測(cè)量。壓電傳感器的輸出信號(hào)微弱、且輸出阻抗很高，不能使用一般的運(yùn)算放大器作為壓電傳感器的信號(hào)放大電路。以往的壓電傳感器放大電路[1~3]，由于傳感器與放大電路之間不是一體化結(jié)構(gòu)，要用一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線連接在一起，這就要求放大電路必須是電荷放大器。若要做成傳感器及放大電路一體化結(jié)構(gòu)，由于電荷放大器的電路較復(fù)雜，致使傳感器體積較大，傳感器的固有頻率很難做大。當(dāng)要求傳感器有較高的固有頻率時(shí)，就需要減小體積，電路板的面積大小就成為瓶頸。文獻(xiàn)[4]所述的放大電路和傳感器是一體化的，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝配操作及調(diào)試都較為困難。為了使壓電傳感器體積減小又不降低性能，必須要對(duì)其放大電路進(jìn)行研究探討。本文試圖設(shè)計(jì)一種一體化的壓電傳感器放大電路，達(dá)到傳感器既有較小的體積、又有較高的性能的目的，使傳感器的裝配調(diào)試容易，能批量生產(chǎn)。

1 電路設(shè)計(jì)原理

壓電傳感器是用螺栓將質(zhì)量塊、壓電陶瓷片、引出線電極片及絕緣片緊固在底座上組成的剛性連接結(jié)構(gòu)傳感器，傳感器的轉(zhuǎn)換原理基于壓電效應(yīng)[5]，屬于慣性力傳感器。若傳感器底座受到慣性力的作用時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電陶瓷片上的力也隨之變化，當(dāng)被測(cè)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，力的大小與被測(cè)參數(shù)的數(shù)值成正比例關(guān)系，壓電陶瓷受力作用產(chǎn)生的電荷量與作用力相關(guān)聯(lián)，測(cè)量放大轉(zhuǎn)換成與被測(cè)參數(shù)相關(guān)的電壓值，便可得到被測(cè)量的數(shù)值。

壓電傳感器是自發(fā)電型的傳感器，本身無(wú)需供電電源，可將其看作是電荷源或電壓源。壓電傳感器受外力（振動(dòng)、沖擊等）作用時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的電荷量（正弦波信號(hào)）很微弱。測(cè)量微弱的電荷信號(hào)，要求放大壓電傳感器信號(hào)的前置放大電路須具有很高的輸入阻抗，以減少傳感器接入放大電路后產(chǎn)生電荷的泄露，避免輸入信號(hào)的跌落。

壓電傳感器的放大可由電荷放大器和電壓放大器來(lái)完成。電荷放大器的輸出信號(hào)不受傳感器引出線線間分布電容的影響，但組成放大電路的所需元件多，傳感器做成一體化實(shí)為不便。當(dāng)壓電傳感器與放大電路組成一體化結(jié)構(gòu)時(shí)，傳感器與電路間的間距很小，所需引線很短、且位置相對(duì)固定，由引線間形成的分布電容不大，用簡(jiǎn)單的電壓放大電路對(duì)傳感器的測(cè)量誤差影響很小。選擇封裝體積很小的高輸入阻抗儀表放大器將會(huì)使電路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，電路所用元件也大為減少，不僅傳感器的體積會(huì)減少很多，也可大大提高電路的可靠性，因?yàn)橥绞呛?jiǎn)單的電路其故障率就越低。為此設(shè)計(jì)成如圖1所示的壓電傳感器放大電路。

圖1的電路包含了電荷信號(hào)的輸入電路、放大器及放大器所需參考電壓的穩(wěn)壓電路。電荷信號(hào)的兩個(gè)輸出端分別通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓電路的輸出端接入兩個(gè)高阻值的電阻器后再接入放大器的輸入端，以此為放大器的輸入端提供了偏置電流回路，使放大器能正常放大交流信號(hào)，參考電壓的加入為放大器放大交流信號(hào)提供了直流電位，以免放大器產(chǎn)生削波輸出不完整的波形信號(hào)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

用PZT型壓電陶瓷片組裝成一體化的振動(dòng)沖擊傳感器，用輸入電阻＞1012Ω的MSOP-8封裝形式的儀表放大器及靜態(tài)電流很小、穩(wěn)壓值≤2 VDC的基準(zhǔn)穩(wěn)壓塊組成圖1所示的電路，電路的供電電壓為5 VDC，傳感器的標(biāo)定測(cè)量范圍為0~100 m/s2，用振動(dòng)傳感器標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試。

圖1所示的電路中，偏置電阻R是影響放大電路頻率響應(yīng)的關(guān)鍵所在。在一體化壓電振動(dòng)沖擊傳感器組裝完畢后，將傳感器固定于振動(dòng)臺(tái)上對(duì)輸入輸出特性進(jìn)行測(cè)試。改換電路中偏置電阻R的數(shù)值，分別做了電阻值為2 MΩ、10 MΩ及51 MΩ的測(cè)試試驗(yàn)，其頻響特性如圖2、圖3及圖4所示。圖2和圖3是傳感器金屬外殼未完全封閉情況下測(cè)試的，圖4為完全封閉情況下的測(cè)試結(jié)果。

可以看出，隨偏置電阻R 數(shù)值的增大，放大電路的頻響特性會(huì)變好，可通過(guò)試驗(yàn)確定偏置電阻R的大小。另外，傳感器金屬外殼未完全封閉對(duì)傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生了干擾影響。

圖2 偏置電阻為2 MΩ的放大電路頻響特性

圖3 偏置電阻為10 MΩ的放大電路頻響特性

圖4 偏置電阻為51 MΩ的放大電路輸出頻響特性

表1 壓電振動(dòng)沖擊傳感器幅值線性度測(cè)試結(jié)果

當(dāng)偏置電阻R為51 MΩ時(shí)，給傳感器施以0~100 m/S2的振動(dòng)加速度值，測(cè)試傳感器的幅值線性度其結(jié)果如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)計(jì)算得知，傳感器的最大非線性誤差為0.049 %，其線性度非常好。

3 結(jié)束語(yǔ)

壓電傳感器采用高輸入阻抗儀表放大器作為放大電路中的放大器，通過(guò)在放大電路的輸入端加入偏置電阻，使放大器放大高輸出阻抗的電荷型信號(hào)成為可能。選擇合適的偏置電阻，可使傳感器的頻響特性滿足性能要求，做成的一體化傳感器體積小（重量輕），使傳感器具有高的固有頻率，實(shí)際應(yīng)用效果良好；放大電路簡(jiǎn)單、元件少，制造成本低易于生產(chǎn)。所述電路雖只是對(duì)振動(dòng)沖擊傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但對(duì)于測(cè)量壓力、位移等參數(shù)的壓電傳感器也同樣適用。

[1] 張薇,高國(guó)旺,李漢興,等.新型壓電式傳感器前置放大電路的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試, 2010,(6)10-14.

[2] 陸兆峰,秦旻,陳禾,等.壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2007,(7):3-4.

[3] 王興舉,李進(jìn)瞾.壓電式傳感器測(cè)量電路的性能分析[J].傳感器世界, 2007,(5):22-24.

[4] 唐德堯.一種寬頻帶電荷放大器及其設(shè)計(jì)方法:中國(guó), CN200710036153.1[P]. 2007-11-20.

[5] 趙燕. 傳感器原理及應(yīng)用 [M].北京:北京大學(xué)出版社, 2010:126-132.

Design of Amplification Circuit Based on Piezoelectric Sensor

CHEN Yu-wei，ZHANG Cong
(Qingdao Aerospace Semiconductor Institute Co., Ltd., Qingdao 266071)

In order to improve the natural frequency of piezoelectric sensor and reduce the volume of the sensor, an amplifier with high input impedance is designed and applied to the piezoelectric sensor. By changing the value of the amplification input circuit bias resistor, an amplification circuit more simple and efficient than conventional amplifier circuit is obtained. The integration of small volume piezoelectric sensor with better frequency response and linearity is achieved.

piezoelectric; sensor; circuit design

TP212

A

1004-7204（2017）03-0068-03

陳玉偉（1960- )，男，山東濟(jì)南，1982年畢業(yè)于山東大學(xué)物理系，學(xué)士，高級(jí)工程師。多年來(lái)從事了多項(xiàng)傳感器課題的研究及產(chǎn)品的研發(fā)工作，已授權(quán)多項(xiàng)發(fā)明及實(shí)用新型專利。