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压电传感器电路设计探讨

摘要:为了提高压电传感器的固有频率,减小传感器的体积,采用高输入阻抗的仪表放大器,设计研究了用于压电传感器的放大电路,通过改变放大电路输入回路偏置电阻的电阻值,得到了比常规方法更加简单、有效的简单放大电路,实现了小体积下的一体化压电传感器较好的频率响应和良好的线性度。

关键词压电;传感器;电路设计

压电传感器是用于动态测量的传感器,虽有低频响应差、不能测量静态信号的缺点,但与压阻传感器相比,具有动态响应好、频响宽的优点,被广泛应用于压力、位移、速度、加速度及冲击信号的测量。压电传感器的输出信号微弱、且输出阻抗很高,不能使用一般的运算放大器作为压电传感器的信号放大电路。以往的压电传感器放大电路[1~3],由于传感器与放大电路之间不是一体化结构,要用一定长度的导线连接在一起,这就要求放大电路必须是电荷放大器。若要做成传感器及放大电路一体化结构,由于电荷放大器的电路较复杂,致使传感器体积较大,传感器的固有频率很难做大。当要求传感器有较高的固有频率时,就需要减小体积,电路板的面积大小就成为瓶颈。文献[4]所述的放大电路和传感器是一体化的,但电路结构较复杂,装配操作及调试都较为困难。为了使压电传感器体积减小又不降低性能,必须要对其放大电路进行研究探讨。本文试图设计一种一体化的压电传感器放大电路,达到传感器既有较小的体积、又有较高的性能的目的,使传感器的装配调试容易,能批量生产。

1电路设计原理

压电传感器是用螺栓将质量块、压电陶瓷片、引出线电极片及绝缘片紧固在底座上组成的刚性连接结构传感器,传感器的转换原理基于压电效应[5],属于惯性力传感器。若传感器底座受到惯性力的作用时,质量块加在压电陶瓷片上的力也随之变化,当被测试件的振动频率远低于传感器的固有频率时,力的大小与被测参数的数值成正比例关系,压电陶瓷受力作用产生的电荷量与作用力相关联,测量放大转换成与被测参数相关的电压值,便可得到被测量的数值。压电传感器是自发电型的传感器,本身无需供电电源,可将其看作是电荷源或电压源。压电传感器受外力(振动、冲击等)作用时产生动态的电荷量(正弦波信号)很微弱。测量微弱的电荷信号,要求放大压电传感器信号的前置放大电路须具有很高的输入阻抗,以减少传感器接入放大电路后产生电荷的泄露,避免输入信号的跌落。压电传感器的放大可由电荷放大器和电压放大器来完成。电荷放大器的输出信号不受传感器引出线线间分布电容的影响,但组成放大电路的所需元件多,传感器做成一体化实为不便。当压电传感器与放大电路组成一体化结构时,传感器与电路间的间距很小,所需引线很短、且位置相对固定,由引线间形成的分布电容不大,用简单的电压放大电路对传感器的测量误差影响很小。选择封装体积很小的高输入阻抗仪表放大器将会使电路结构大为简化,电路所用元件也大为减少,不仅传感器的体积会减少很多,也可大大提高电路的可靠性,因为往往越是简单的电路其故障率就越低。为此设计成如图1所示的压电传感器放大电路。图1的电路包含了电荷信号的输入电路、放大器及放大器所需参考电压的稳压电路。电荷信号的两个输出端分别通过对稳压电路的输出端接入两个高阻值的电阻器后再接入放大器的输入端,以此为放大器的输入端提供了偏置电流回路,使放大器能正常放大交流信号,参考电压的加入为放大器放大交流信号提供了直流电位,以免放大器产生削波输出不完整的波形信号。

2试验结果

用PZT型压电陶瓷片组装成一体化的振动冲击传感器,用输入电阻>1012Ω的MSOP-8封装形式的仪表放大器及静态电流很小、稳压值≤2VDC的基准稳压块组成图1所示的电路,电路的供电电压为5VDC,传感器的标定测量范围为0~100m/s2,用振动传感器标定试验台对传感器进行标定测试。图1所示的电路中,偏置电阻R是影响放大电路频率响应的关键所在。在一体化压电振动冲击传感器组装完毕后,将传感器固定于振动台上对输入输出特性进行测试。改换电路中偏置电阻R的数值,分别做了电阻值为2MΩ、10MΩ及51MΩ的测试试验,其频响特性如图2、图3及图4所示。图2和图3是传感器金属外壳未完全封闭情况下测试的,图4为完全封闭情况下的测试结果。可以看出,随偏置电阻R数值的增大,放大电路的频响特性会变好,可通过试验确定偏置电阻R的大小。另外,传感器金属外壳未完全封闭对传感器输出信号产生了干扰影响。当偏置电阻R为51MΩ时,给传感器施以0~100m/S2的振动加速度值,测试传感器的幅值线性度其结果如表1所示。从表1中数据计算得知,传感器的最大非线性误差为0.049%,其线性度非常好。

3结束语

压电传感器采用高输入阻抗仪表放大器作为放大电路中的放大器,通过在放大电路的输入端加入偏置电阻,使放大器放大高输出阻抗的电荷型信号成为可能。选择合适的偏置电阻,可使传感器的频响特性满足性能要求,做成的一体化传感器体积小(重量轻),使传感器具有高的固有频率,实际应用效果良好;放大电路简单、元件少,制造成本低易于生产。所述电路虽只是对振动冲击传感器进行了试验研究,但对于测量压力、位移等参数的压电传感器也同样适用。

作者:陈玉伟 张 丛 单位:青岛航天半导体研究所有限公司

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