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实现压电传感器系统的电荷放大器图解

发表时间:2021-07-05 18:01【 阅读量:-

  压电换能器的等效电路。它由一个电流源和一个并联电容器组成,并且可以包括一个并联电阻器,以解决压电材料产生的电荷会随着时间的推移而减少的事实。


  

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  放大问题


  压电材料响应机械应力而产生的电荷非常小。压电系数的典型值为每牛顿数十或数百皮库仑。一牛顿是相当大的力,而100皮库仑是微乎其微的电荷。很明显,我们需要一个放大器来将传感器的电荷转换为可用信号。


  另一个问题是放大器的输出电压与力、压力或加速度的物理变化之间的数学关系。施加在压电材料上的力与电荷成正比,而不是电流。如果我们将传感器的电流转换为电压,则产生的信号与施加的力的变化率成正比,而不是与施加的力本身成正比。


  如果您阅读了前一篇文章,您就会知道压电传感器的等效电路具有与所施加的力成正比的输出电压。那么,为什么我们不能简单地使用电压放大器呢?嗯,可以使用电压放大器,但在许多情况下,这不是首选的解决方案。问题是电缆电容。


  处理互连电容


  上一篇文章中给出的V OUT表达式如下:


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  我们在等效电路的上下文中介绍了这个公式,该电路由电流源和电极产生的并联电容组成。等式中的“C”指的是这个电容,它与压电器件的物理结构有关,据我所知,在典型的工作条件下,它不会表现出有问题的变化。


  但是,与传感器并联的任何其他电容源都将影响上述表达式中的“C”项;也就是说,与将压电器件连接到放大器的电缆相关的附加并联电容将改变施加的力与V OUT之间的关系.传感器的电容不大(我见过数百皮法和低纳法范围的数字);因此,电缆电容的微小变化——例如由更换甚至重新布置电缆引起的变化——会对系统产生重大影响。底线是仅当传感器靠近放大器电路时才应考虑电压模式放大。此外,放大器的输入电容以与电缆电容相同的方式影响电荷电压关系,因此不同的放大器(即使它们具有相同的增益)会产生不同的输出信号。


  到目前为止,这听起来像是一项麻烦的设计任务,但实际上有一个简单的电路可以满足我们的需求。它被称为电荷放大器。


  压电传感器的电荷放大器


  电荷放大器是具有非常高输入阻抗的积分器。积分功能将电荷转换为电压,高输入阻抗确保压电换能器产生的少量电荷不会因泄漏而损失。


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  充电电压


  上面显示的电荷放大器让我想起了跨阻放大器,但在反馈路径中使用电容器而不是电阻器,我认为当您第一次考虑功能时,这种观察会很有帮助。


  跨阻放大器接受输入电流并将其乘以反馈路径中的电阻,这不仅增加幅度而且还将电流转换为电压。电荷放大器做类似的事情,但在反馈路径中使用电容而不是电阻产生的输出不与瞬时电流成正比,而是与电流随时间的累积成正比。换句话说,输出告诉我们一些关于电流积分(相对于时间)的信息,而不是给定时刻电流的大小。


  在光电二极管放大器等应用中,传感器的输出信号是与光强度成正比的电流,我们不需要有关信号积分的信息。然而,对于压电传感器,被测量的量与电荷成正比,输入信号是等于电荷导数的电流,因此输入信号的积分给出了我们需要的信息,即电荷。


  这是电荷放大器输出电压的表达式:


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  请注意以下事项:


  输入电流不是乘以C F而是乘以1/C F。这与跨阻放大器的增益形成对比,后者等于反馈电阻R F(不是1/R F)。


  增益仅取决于反馈电容;它不受电缆电容或传感器内部电容的影响。


  如果传感器的电流流向运算放大器的反相输入端子,则电荷放大器会产生负电压。如果我们回想起微不足道的电流流入运算放大器并且反相端子处于虚拟接地,我们就会明白为什么会出现这种情况:传感器电流的唯一路径是在运算放大器周围并通过反馈路径,并且要使电流从反相端子(0 V)流向输出端子,输出电压必须为负。


  反相端虚地的存在也解释了为什么电路不受电缆电容或传感器电容的影响。这两个电容都与电流源并联,这意味着它们的一侧接地,另一侧为虚拟接地。因此,没有电流流过它们,它们不会影响电路的运行。


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  现实的电荷放大器


  上面显示的理想化电路不是实际实现,因为运算放大器的输入偏置电流会给电容器充电并导致放大器饱和。我们可以通过添加一个与电容器并联的电阻器(提供放电路径)来解决这种情况。此外,您可以通过将同相端子连接到V CC/2等参考电压来使电路适应单电源环境。


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