声敏传感器及其实用电路 二

六、前置放大器电路 1.加速度传感器压电加速度传感器能够产生跟压电元件上施加的加速度成比例的电荷,可认为压电元件是跟电容器并联连接的高电阻器,图1示出等效电路。这种加速度传感器是电容性的,其输出阻抗非常高,而输出电压通常是低电平。因此,前置放大器应具备的功能,一是跟检测器的阻抗匹配,二是将传感器的微小输出信号放大。     

绝经综合征评定量表的验证性因素分析

分析了多层压电电源的工作原理,导出了该电源的电压输出公式.为对压电电源的发电性能进行测试与研究,研制了压电电源发电性能测试仪.在该测试仪的设计中,利用变极距电容式微位移传感器测量压电叠堆的振幅,采用电荷放大器测量压电电源的输出电压.利用该测试仪进行初步试验,结果表明,储能电容C充上的电压与压电叠堆的层数成正比,与C的电容值成反比.试验还发现,压电叠堆的基频固有频率与外部激励源的激振频率相同时发生谐振现象,最终增大了多层压电电源的输出电压.     

高阻抗电荷输出传感器

压电传感器、水中听音器和某些加速计属于高阻抗传感器,需要能将电荷转移转换成电压变化的放大器。这些器件因为直流输出阻抗高,所以需要适当的缓冲。一种电荷敏感倒相放大器的基本电路如图1所示。电荷传感器有两个基本类型:电容型和电荷发射型。在电容传感器中,电容器两端电压(V_c)保持恒定。电容的改变△C引起电荷变化△Q=△CV_c。这个电荷变化以电压形式传递到运算放大器的输出端,△V_(OUT)=-△Q/C_2=-△CV_c/C_2。     

PVDF触滑觉传感器结构及其调理电路设计

应用聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜作为敏感材料,通过结构设计增加PVDF薄膜传感器的微振动信号响应,制作了新型触滑觉传感器。采用CA3140作为电荷放大器对PVDF压电薄膜传感器的电荷变化进行放大,再通过电压放大、工频陷波及低通滤波处理,调理分辨出直观的触觉信号和滑觉信号。测试结果通过示波器观察可明显分辨出触觉信号和滑觉信号。     

低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究

压电悬臂梁以其优越的性能在微纳米领域得到广泛应用。为了降低压电悬臂梁信号采集中的噪声,该文针对一种冷放电电荷放大器进行了详细的理论与仿真分析。设计实现了电荷 电压灵敏度为23.4 mV/pC的冷放电电荷放大器,并将其应用于压电悬臂梁纳米量级位移信号采集中。实验结果表明,冷放电电荷放大器具有优于经典电荷放大器的噪声特性,与理论预期、仿真分析结果相符。冷放电电荷放大器为低噪声压电信号采集提供了一种新选择。     

适合容性负载的高压大功率放大器

设计了一种适合压电陶瓷等容性负载的双极性可调高压大功率线性放大器,它由简单低廉的低压运算放大器、基于功率场效应管(MOSFET)的功率放大级组成主回路,通过电压负反馈构成闭环控制。对电路中各环节的特性进行了分析,并讨论了放大器的性能。该高压放大器在驱动等效电容为60nF的压电陶瓷时,单端到地输出电压为一600～ 600V,电压增益42dB,大信号带宽800Hz,小信号带宽7kHz,充放电电流可达200mA,静态电流可达1．4mA。实验与分析表明,高压直流放大器采用功率场效应管和电压闭环控制后,可拓展放大器通频带,提高放大器输出能力和长时间稳定性。     

压电加速度传感器测量电路的设计

在动态测量中,压电加速度传感器是振动与冲击测量的核心部件。但压电加速度传感器作为一个能产生电荷的高内阻发电元件,产生的电荷量很小。通过一般的测量电路测量压电片上的电荷时,电荷会被输入阻抗迅速泄漏而引入测量误差。因此,提出一种采用集成芯片TL084代替大量分离元件的电荷放大器的测量电路设想。通过与标准电荷放大器的性能对比,实验表明本设计可行,且对研究类似测量系统的设计开发具有一定的借鉴意义,有望应用于各种动态力、机械冲击与振动的测量及声学、医学、力学等领域。     

压电式六维加速度传感器测量系统研究

针对9-SPS并联压电式六维加速发传感器的结构特点与工作原理,设计一种集多通道电荷放大器、信号采集与处理为一体的测量系统.其中电荷放大器部分根据传感器的特点对传统电荷放大器进行了改进与优化,不仅实现了电荷放大器的小型化.且其测量范围、滤波器参数及增益均可通过程序控制,实现自动测量;信号采集与处理单元采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)联合架构,兼顾了速度与灵活性,为系统实现实时处理提供了保障.与传统测量系统相比,该系统具有测量精度高,体积小,成本低,使用方便及具有良好的人机交互等特点.     

干式电力变压器振动信号调理电路的设计

基于振动法的变压器状态监测系统通过安装在变压器器身上的振动传感器来测量运行中的变压器的振动信号,通过对干式电力变压器振动特性的分析,得出振动量的量化特性,方便了调理电路的参数设计.振动信号的调理过程,采用一种内装IC的加速度传感器YD35D,适合用来测量电力变压器的振动信号,通过电荷放大器、增益放大电路和滤波电路将加速度信号转变成微处理器可采集的0-5v的模拟电压量,较为详细地介绍了信号处理各部分电路的设计及电阻电容的参数计算公式.通过电子电路仿真软件Multisim对电路参数进行了合理配置,仿真结果表明系统的信号幅度控制合理,滤波效果明显,电路设计具有实际应用价值.     

基于PVDF与ARM CM3内核的足底动态压力测试系统

研究了聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的电压输出特性.根据运动员训练的需要,设计了适合于运动员动态足底压力测量的PVDF压电薄膜传感器,提出了高阻电压放大器对传感器的输出信号进行采样及处理,组成了运动员足底压力动态测量系统.该系统能在运动员的运动过程中实时、稳定并可靠地输出其足底压力的动态信号,为运动员的姿态矫正提供了依据.     

压电式微传声器的设计与测量方法的匹配

针对压电式微传声器的两种测量方法,研究了提高微传声器灵敏度的方法。对于电荷测量法,前置放大电路应采用并联负反馈的方式;对于电压测量法,前置放大电路应采用串联负反馈的方式;并且选用高输入阻抗的放大器作为前置放大器。根据理论推导不同材料在不同测量方法下的灵敏度,发现在电荷测量法下用PZT制备的微传声器与在电压测量法下用ZnO制备的微传声器的灵敏度都比较高。用ANSYS软件对四边固支ZnO压电式微传声器进行静力分析,发现薄膜上最大电压为7.89mV,最小电压为-5.55mV。根据薄膜上的应力分布,针对两种测量方法,优化设计了两种不同的新型微传声器结构。     

聚丙烯压电驻极体薄膜声电传感器的性能

压电驻极体（也称为铁电驻极体）是以空间电荷驻极体为基体的一类新型压电功能材料,这种材料不仅具有与压电陶瓷相近的压电活性,同时拥有柔韧、低介电常数和低声阻抗等特点。本研究制备了基于聚丙烯（PP）压电驻极体薄膜的声电传感器,并采用电压放大电路和电荷放大电路对其在声频下的灵敏度进行了测量。结果表明,PP压电驻极体声电传感器在1 kHz下的电压灵敏度约为0.8 mV/Pa,并在300 Hz~10 kHz的声频范围内有良好的线性输出特性。     

一种快速开关响应式多通道电荷放大器

精确制导武器(如制导炸弹、智能弹药等)技术对六轴加速度传感系统及由此构成的无陀螺捷联惯性导航系统的开关响应时间和体积有严格要求。对于压电式六轴加速度传感系统及其构成的无陀螺捷联惯性导航系统,其开关响应时间和体积直接决定于构成其信号调理系统的多通道电荷放大器。该文提出并定义了表征电荷放大器上电响应能力的开关响应特性的概念并给出了相应的测试方法。介绍了一种为提高开关响应特性和减小体积专门开发的多通道电荷放大器,实验测试结果表明,其具有良好的开关响应特性,可用于构成压电式六轴加速度传感系统/无陀螺捷联惯性导航系统的信号调理系统。     

Hybrid charge control for stick-slip piezoelectric actuators

The article describes an analog electronic circuit for driving stick-slip piezoelectric linear actuators. The task for the amplifier is to provide a high-voltage asymmetric sawtooth-like signal and feed it into a capacitive load. Generation of excessive heat must be avoided while maximizing the slew rate. In order to guarantee a steady translation, the hysteretic behaviour of the piezoelectric material must be compensated. Combination of a charge control scheme with switching is proposed as an efficient solution. Laboratory experiments confirm the superiority of this tailored solution over other existing techniques based on versatile linear voltage amplifiers.     

基于1×2阵列压电悬臂梁的AFM并行扫描

分析了阵列悬臂探针并行扫描的工作方式,以非接触磁力模拟样品与悬臂梁间的范德华力,研究了1×2阵列压电悬臂梁的并行扫描和驱动控制方法。每一压电梁均集成了微位移致动器和力传感器,在320Hz一阶共振频率下振动。实验表明:在0.2～1.0mm力作用区内,压电梁自由端每接近模拟样品0.1mm,表征悬臂梁振幅的锁相放大器输出电压减小1.7mV,但微力传感在扫描的升回程存在迟滞;致动器的控制电压每增加10V使锁相放大器输出减小约3mV,表明集成的致动器可调节压电梁与样品间的间距。两压电梁的电荷-位移响应曲线、间距调节灵敏度均不完全一致,讨论了阵列悬臂梁一致性问题和阵列规模大小问题。     

一种高效率线性压电陶瓷驱动电源设计

为改善压电陶瓷驱动电源的静态功耗和动态性能,提出了可变静态工作点和工作电压的高压放大器。首先使用恒流源结构的放大器构成典型的高压放大器,然后通过比例微分电路动态调整放大器的工作电流,最后利用多组抽头电源给高压放大器分段供电,进一步降低系统功耗。实验结果表明,放大器在10 mA静态电流下,可以动态输出400 mA电流;放大器工作电压可以根据输出电压大小在50 V、100 V、150 V、210 V之间自动切换。放大器在很低的静态电流下可以获得很好的动态特性,满足设计要求。