壓電薄膜傳感器的原理和實(shí)用電路設(shè)計(jì)

加速度計(jì)可以用在儀表中，測(cè)量加速度（速度對(duì)時(shí)間的變化率）和測(cè)量?jī)A斜度（物體的縱軸和與地球表面相切的平面的垂線之間形成的傾角）。傾斜度測(cè)量可以被看成“直流”或穩(wěn)態(tài)測(cè)量。在理論上，加速度可以是穩(wěn)態(tài)的，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，加速度通常是一個(gè)短期的暫時(shí)現(xiàn)象。

在非傾斜應(yīng)用（短時(shí)加速）中，可以將壓電檢波器或壓電薄膜傳感器用作傳感器。任何類(lèi)型的壓電傳感器都有一個(gè)與電容串聯(lián)的交流電壓源等效電路（加上其他會(huì)產(chǎn)生二階效應(yīng)的電抗元件，不在此進(jìn)行分析）。典型的容值為幾百皮法到幾納法。電壓源的電容耦合就是為什么器件不能提供穩(wěn)態(tài)的傾斜度測(cè)量的原因。

上面提到的等效電容，再加上輸入或后繼的放大或緩沖電路的分流電阻就構(gòu)成了一個(gè)單極高通濾波器（HPF）。在最好的情況下，如果分流電阻越大，高通濾波器中極點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)。這就意味著，在時(shí)間常數(shù)效應(yīng)削弱測(cè)量前，可以對(duì)加速度進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)。

從實(shí)用性的角度出發(fā)（考慮到器件的可用性），可以選用1GΩ的阻值。由于這個(gè)電阻值很大，所使用的放大器必須具有非常低的偏置或泄漏電流，最好能達(dá)到1pA的級(jí)別。

圖1是一個(gè)實(shí)用電路的電路圖。壓電薄膜傳感器是器件X1。在原型設(shè)計(jì)當(dāng)中，使用了測(cè)量專(zhuān)用的 LDTM-028K器件。這個(gè)傳感器的一端已經(jīng)施加了一個(gè)很小的重力，在這端再增加大的重力，可以提高靈敏度。傳感器通過(guò)R1連到運(yùn)放U1的非反向輸入端，R1可防止過(guò)壓對(duì)運(yùn)放的輸入造成損害。如果傳感器承受的加速度非常高（如重?fù)簦秃芸赡馨l(fā)生這種情況。R1也可以用來(lái)減小來(lái)自X1的信號(hào)幅值。這個(gè)電路中的R1是1GΩ。R2是輸入分流電阻，1pA的泄漏電流會(huì)流過(guò)R2，其數(shù)值也是1GΩ，產(chǎn)生1mV的偏置電壓（加到運(yùn)放的實(shí)際偏置電壓上）。R2接 2.5V的參考電壓，設(shè)定運(yùn)放的靜態(tài)輸出電壓。運(yùn)放是ISL28158（或任何其他具有超低輸入偏置/泄漏電流的器件）。運(yùn)算放大器使用+5V DC電源供電。直流增益由R3和R4設(shè)定，在這個(gè)電路中是+2V/V。1μF的電容器（C3）構(gòu)成了低通濾波器，減小了電路對(duì)更高頻振動(dòng)的響應(yīng)。這里最好用薄膜電容器，因?yàn)樘沾呻娙萜骺赡芤敫郊拥挠憛挼膲弘娦?yīng)（即常說(shuō)的顫噪效應(yīng)）。如果需要額外的低通濾波，在運(yùn)放的輸出端，即圖中的R5和C4，可以增加一個(gè)額外的極點(diǎn)。

把X1安裝到電路板上，這樣重力就會(huì)加到電路板的下面，傳感器會(huì)在所要測(cè)量加速度的方向上彎曲。

調(diào)小R1可提高靈敏度。調(diào)整C3和C4可改變低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。