如何使用電荷放大器處理壓電加速度計輸出

在本文中，我們將介紹通常用于將壓電傳感器的電荷輸出轉換為可用電壓信號的電荷放大器。

壓電加速度計的背景

使用壓電元件，壓電加速度計產(chǎn)生與施加的加速度成比例的電荷輸出。電荷輸出是一種難以測量的信號類型，因為它會隨著時間的推移通過漏電阻逐漸減小。

此外，壓電加速度計中使用的典型傳感元件，這些傳感器產(chǎn)生的少量電荷在每牛頓幾十或幾百皮庫侖的范圍內。因此，通常需要一個信號調節(jié)電路來成功提取加速度信息，而不會耗散任何電荷。這需要具有大輸入阻抗的放大級，以防止產(chǎn)生的電荷通過與傳感元件并聯(lián)的放大器的輸入阻抗泄漏。

事實上，雖然壓電效應是 1880 年由 Pierre 和 Jacques Curie 發(fā)現(xiàn)的，但由于缺乏具有足夠高輸入阻抗的放大器，直到 1950 年代它才具有實際用途。電荷放大器是處理壓電傳感器輸出時的首選技術。電荷放大器將傳感器產(chǎn)生的電荷轉換為可用的電壓信號。

文章“了解和實現(xiàn)壓電傳感器系統(tǒng)的電荷放大器”和“如何設計壓電傳感器的電荷放大器”很好地介紹了電荷放大器的基礎知識。

下面，我們將簡要概述基本概念以及一些額外的細節(jié)。

壓電傳感器等效電路

首先，圖 1 顯示了兩個可用于模擬壓電傳感器的等效電路。

圖 1. 壓電傳感器的兩個示例電路模型 （a） （b） 及其原理圖符號 （c）。

電荷放大器配置—查找輸出電壓

電荷放大器的基本配置如圖 2 所示。

圖 2. 顯示傳感器內電荷放大器配置的示意圖。

使用電荷放大器的主要優(yōu)點

使用電荷放大器，傳感器兩端的電壓理想地為零。因此，任何與傳感器并聯(lián)的絕緣電阻（例如電纜的絕緣電阻或傳感器的漏電阻 Rp）都不會有電流流過。因此，傳感器產(chǎn)生的電荷不會消散。此外，輸出電壓只是反饋電容的函數(shù)，因此傳感器和電纜電容不能改變電路的增益。

電荷放大器時間常數(shù)參數(shù)—反饋電阻

反饋電阻 R F為放大器的反相輸入提供直流路徑，并設置該節(jié)點的直流電壓。但是，添加此電阻器會限制測量直流（或極低頻）加速度信號時的精度。

正如我們上面所討論的，傳感器產(chǎn)生的電荷通過電荷放大器操作轉移到反饋電容器。該電荷可以通過與 C F并聯(lián)的反饋電阻逐漸泄漏。

事實上，放大器的準靜態(tài)行為是由時間常數(shù)參數(shù)決定的：

在電荷放大器的背景下，準靜態(tài)（或接近靜態(tài)）行為是指在相對較長的時間內保持恒定的信號的測量。對于測量極低頻信號，時間常數(shù)應最大化。

為了更好地理解時間常數(shù)參數(shù)對我們測量的影響，請考慮圖 3 中所示的波形。

圖 3.輸出電荷放大器（底部）和傳感器信號（頂部）波形。圖片由奇石樂提供。

在該圖中，頂部波形顯示了傳感器產(chǎn)生的電荷，而底部波形顯示了電荷放大器的輸出。在此示例中，假設充電波形具有固定的 DC 值以及一些高頻分量。輸入的高頻分量按預期出現(xiàn)在輸出端。然而，最初接近輸入直流值的輸出直流值逐漸接近零伏。這種趨勢是由于存儲在 C F 中的靜電荷通過R F泄漏的事實。

如您所見，經(jīng)過一個時間間隔ττ，輸出的直流值降低到其初始值的 37%。對于某些類型的電荷放大器，可以在不同的反饋電阻值之間切換，以根據(jù)加速度信號的低頻成分調整時間常數(shù)參數(shù)。

帶復位開關的電荷放大器

或者，一些電荷放大器包含一個復位開關而不是一個反饋電阻，如圖 4 所示，它為我們提供了最大時間常數(shù)值。

圖 4. 使用復位開關和傳感器配置的電荷放大器示意圖。

在進行測量之前，打開開關以對反饋電容放電并設置運算放大器反相輸入的直流電壓。然后，關閉開關以開始測量階段，如圖 5 所示。

圖 5. 電荷放大器的電路操作。圖片由奇石樂提供

同樣，上面的曲線顯示了傳感器產(chǎn)生的電荷，下面的曲線描繪了電荷放大器的輸出。請注意，當開關打開時，輸出為零。結果，復位開關也為后續(xù)測量固定了零點。

雖然結合復位開關使時間常數(shù)最大化，但它使電路容易出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。漂移是指電荷放大器輸出在一段時間內發(fā)生的變化，不是由被測物理參數(shù)的變化引起的（我們討論中的加速度）。漂移是由幾種不同的非理想效應引起的，例如運算放大器的輸入偏置電流和失調電壓。

為了進一步討論，應更詳細地評估反饋電阻器對放大器低頻響應和漂移行為的影響。