可增強(qiáng)壓電加速計(jì)的電流儀表放大器

典型的壓電傳感器包含一片PZT-5A陶瓷材料的圓盤，在其表面有金屬化電極。把導(dǎo)電環(huán)氧樹脂涂到電極上，就可把外部導(dǎo)線連到傳感器。絕緣粘合劑把組件連到待測(cè)結(jié)構(gòu)，并把傳感器和接地參考電位隔離開。圓盤面朝預(yù)期加速方向。把壓電圓盤安裝在目標(biāo)結(jié)構(gòu)上后，它可產(chǎn)生與盤的極化方向平行作用的力成正比的電壓，由此充當(dāng)簡(jiǎn)單的力敏傳感器兼加速計(jì)。壓電圓盤的電容性阻抗在低頻時(shí)呈現(xiàn)很大的電抗，使圓盤及其接線易受周圍電氣設(shè)備和電源線產(chǎn)生的干擾影響。把傳感器放在偏遠(yuǎn)位置，就需要屏蔽式互聯(lián)電纜，但即使是采取了屏蔽，在消除共模信號(hào)方面也不是完全有效，這是因?yàn)樵趫A盤的導(dǎo)電面仍然會(huì)發(fā)生噪聲拾取。

　　一種提取傳感器信號(hào)的方法是采用儀表放大器，它只放大傳感器產(chǎn)生的電位，并抑制在傳感器各端子出現(xiàn)的共模耦合噪聲電位。

　　典型的微型壓電圓盤傳感器的直徑是0.125英寸，厚0.0075英寸，呈現(xiàn)的電容量約為500pF。如果測(cè)量應(yīng)用需要對(duì)10Hz或低于10Hz的力激勵(lì)頻率作出動(dòng)態(tài)響應(yīng)，則傳感器的輸出電抗范圍達(dá)到數(shù)十MΩ。該電路的印制電路板絕緣基板和環(huán)境濕氣對(duì)放大器的輸入電阻造成了約為10MΩ的實(shí)際限制。

　　必須仔細(xì)選擇絕緣材料
并應(yīng)用保護(hù)電位，并且必須使用具有PA級(jí)輸入偏置電流的放大器。否則，傳感器的電容和放大器的輸入偏置電流電阻器會(huì)在施加到儀表放大器的信號(hào)上造成相移。為了做到無(wú)需保護(hù)和精心制作滿足要求的絕緣，圖1中的電路使用的儀表放大器帶有反饋，以便測(cè)量傳感器的短路電流而不是其開路電壓。傳感器和信號(hào)接地之間的共模電壓(VCM)來(lái)自附近的噪聲源，而后者又來(lái)自雜散電容耦合。以下公式把傳感器的輸出電流i和它的開路輸出電壓ES關(guān)聯(lián)起來(lái)：

　　其中A代表IC1的電壓增益，圖1中的R=R1=R2。電阻器R1和R2為IC1（INA121儀表放大器）提供反饋和輸入偏置電流返回路徑，而電阻器RG設(shè)定放大器的增益。INA121的 0.5pA輸入偏置偏移電流在其10MΩ反饋電阻器兩端產(chǎn)生5mV電壓偏移。放大器增益為 500時(shí)，IC1的輸出偏移等于2.5 mV。放大器IC2為TL081型，提供單位增益信號(hào)反相。

　　如果2A+1>>2RjwCS，則i≈jwCSES，放大器IC1的輸入電壓VI消失，這是因?yàn)榉糯笃鞯妮斎攵顺洚?dāng)了傳感器兩端的實(shí)際短路。把由儀表放大器和反相放大器的輸出、兩個(gè)反饋電阻器以及儀表放大器的輸入端子（其電位差為零）組成的環(huán)路周圍的電壓求和，得eO=jwRCES，其中eO代表IC1的輸出，也是IC2輸出的負(fù)值。

　　基于運(yùn)算放大器的積分器IC3在其輸出端為ES提供值，即下式中的E'。

　　對(duì)于圖1中的元件值，IC1提供的增益為500。電阻器R1和R2等于10 MΩ，壓電傳感器的電容測(cè)量值為500pF。對(duì)于最高頻率10Hz，總量2RwCS=0.62A+1=501，并且傳感器的輸出ES 以E'的形式出現(xiàn)，沒(méi)有相位誤差。該電路能測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力變化。它在C1上保持電荷的能力對(duì)電路的頻率響應(yīng)造成了最終限制。