基于壓電傳感器的放大電路分析

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 陳陽正 邢亞敏 李玉鳳 王炳友 朱清溪 羅紫薇

0 引言

壓電式傳感器是一種電量型傳感器，由于壓電元件不僅具有自發(fā)電和可逆兩種主要性能，還具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，固有頻率高，靈敏度和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，所以壓電式傳感器飛速發(fā)展，在石油方面應(yīng)用也十分廣泛，近幾年隨著石油勘探工作的深入，面對復(fù)雜的地形，壓電傳感器作為首先元件，應(yīng)用于石油測井、淺海勘探等石油勘探領(lǐng)域，也取得了優(yōu)異的成果。利用好壓電式傳感器最核心的部分還是放大電路的設(shè)計(jì)，一般來說壓電傳感器的輸出信號(hào)非常的微弱，并且傳感器本身輸出阻抗高，為了減小測量誤差，我們必須接很大的負(fù)載阻抗，所以，通常我們會(huì)將傳感器的輸出信號(hào)接到高輸入阻抗的前置放大電路中。

1 壓電式傳感器的工作原理

壓電式傳感器是通過壓電效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，歸屬于慣性力傳感器的范疇，壓電效應(yīng)分為順壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩大類，對于一些特殊的帶電材料，在沿著一定方向上受到外力的作用而變形，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)去掉外力后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能的現(xiàn)象成為順壓電效應(yīng)。相反地，在電介質(zhì)物質(zhì)的極化方向上施加電場，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，即壓電效應(yīng)是可逆的，具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)物質(zhì)稱為壓電材料，其中石英晶體是良好的純天然壓電晶體，此外還有壓電陶瓷等多種晶體，也同樣具有良好的壓電轉(zhuǎn)換功能。

1.1 放大電路設(shè)計(jì)原理

壓電傳感器的前置放大有兩個(gè)作用，一個(gè)是放大壓電傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是把壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵觯鶕?jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號(hào)也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器有兩種形式：

（1）電壓放大器：其輸出電壓與傳感器的輸出電壓成正比；

（2）電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。

電壓放大器和電荷放大器的等效原理圖如圖1所示。

圖1 電壓放大器和電荷放大器的等效電路

1.2 電壓放大電路分析

壓電傳感器與電壓放大器相連的等效電路如圖1(a)所示。

如圖2(a)中，等效電阻、等效電容分別為：

設(shè)在壓電元件上受到角頻率為w，壓電系數(shù)為μX，幅值為Fm的力，即：

在外力的作用下在壓電器件上產(chǎn)生的電壓值為：

輸入電壓的幅值為：

如式(7)可得，當(dāng)w遠(yuǎn)大于w0時(shí)，可以近似看作電壓與作用力的頻率無關(guān)，在時(shí)間常數(shù)一定的情況下，傳感器輸入信號(hào)的頻率越高，其線性度越好，即壓電式傳感器的頻率響應(yīng)越好。

所以電壓放大電路一般適用于高頻。

1.3 電荷放大電路分析

電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益的放大器構(gòu)成，其等效電路如圖1(b)所示，其電壓輸出為：

一般，當(dāng)增溢足夠大時(shí)，傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。通過表達(dá)式(8)很容易看出三個(gè)電容的和是一個(gè)定值，當(dāng)(1+A)Cf遠(yuǎn)大于這個(gè)定值的時(shí)候我們就可以近似的認(rèn)為輸出電壓與電容無關(guān)

電荷放大器的時(shí)間常數(shù)很大，下限截止頻率很低，輸出阻抗遠(yuǎn)小于輸入阻抗，因此，在低頻響應(yīng)中比電壓放大器要好很多，故應(yīng)該將兩者配合使用。

2 放大電路總結(jié)

通過以上對電壓放大電路和電荷電路的分析和對比可以得出，兩種放大電路適用于不同的頻率響應(yīng)，高頻時(shí)采用電壓放大，低頻時(shí)采用電荷放大，在實(shí)際的工程勘察中，壓電式傳感器的放大電路時(shí)，我們應(yīng)該結(jié)合實(shí)際需求，將兩個(gè)電路結(jié)合起來配合使用，才能對被測物進(jìn)行有效的測量。

3 結(jié)束語

壓電傳感器的優(yōu)勢十分明顯，但是其輸出信號(hào)十分的微弱，在實(shí)際測量中我們必須設(shè)計(jì)放大電路將信號(hào)放大，否則無法對被測物體進(jìn)行有效的測量，電壓放大電路的優(yōu)點(diǎn)就是電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件少，成本低，但是對電纜的長度一定的限制，電纜不能太長，靈敏度受電纜長度的影響很大。在實(shí)際測量中我們常常使用電荷放大器，其靈敏度與電纜無關(guān)，而且可以得到很好的低頻特性。

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