可增强压电加速计的电流仪表放大器

可增强压电加速计的电流仪表放大器

典型的压电传感器包含一片PZT-5A陶瓷材料的圆盘，在其表面有金属化电极。把导电环氧树脂涂到电极上，就可把外部导线连到传感器。绝缘粘合剂把组件连到待测结构，并把传感器和接地参考电位隔离开。圆盘面朝预期加速方向。把压电圆盘安装在目标结构上后，它可产生与盘的极化方向平行作用的力成正比的电压，由此充当简单的力敏传感器兼加速计。压电圆盘的电容性阻抗在低频时呈现很大的电抗，使圆盘及其接线易受周围电气设备和电源线产生的干扰影响。把传感器放在偏远位置，就需要屏蔽式互联电缆，但即使是采取了屏蔽，在消除共模信号方面也不是完全有效，这是因为在圆盘的导电面仍然会发生噪声拾取。

　　一种提取传感器信号的方法是采用仪表放大器，它只放大传感器产生的电位，并抑制在传感器各端子出现的共模耦合噪声电位。

　　典型的微型压电圆盘传感器的直径是0.125英寸，厚0.0075英寸，呈现的电容量约为500pF。如果测量应用需要对10Hz或低于10Hz的力激励频率作出动态响应，则传感器的输出电抗范围达到数十MΩ。该电路的印制电路板绝缘基板和环境湿气对放大器的输入电阻造成了约为10MΩ的实际限制。

　　必须仔细选择绝缘材料 
并应用保护电位，并且必须使用具有PA级输入偏置电流的放大器。否则，传感器的电容和放大器的输入偏置电流电阻器会在施加到仪表放大器的信号上造成相移。为了做到无需保护和精心制作满足要求的绝缘，图1中的电路使用的仪表放大器带有反馈，以便测量传感器的短路电流而不是其开路电压。传感器和信号接地之间的共模电压(VCM)来自附近的噪声源，而后者又来自杂散电容耦合。以下公式把传感器的输出电流i和它的开路输出电压ES关联起来：

　　其中A代表IC1的电压增益，图1中的R=R1=R2。电阻器R1和R2为IC1（INA121仪表放大器）提供反馈和输入偏置电流返回路径，而电阻器RG设定放大器的增益。INA121的 0.5pA输入偏置偏移电流在其10MΩ反馈电阻器两端产生5mV电压偏移。放大器增益为 500时，IC1的输出偏移等于2.5 mV。放大器IC2为TL081型，提供单位增益信号反相。

　　如果2A+1>>2RjwCS，则i≈jwCSES，放大器IC1的输入电压VI消失，这是因为放大器的输入端充当了传感器两端的实际短路。把由仪表放大器和反相放大器的输出、两个反馈电阻器以及仪表放大器的输入端子（其电位差为零）组成的环路周围的电压求和，得eO=jwRCES，其中eO代表IC1的输出，也是IC2输出的负值。

　　基于运算放大器的积分器IC3在其输出端为ES提供值，即下式中的E'。

　　对于图1中的元件值，IC1提供的增益为500。电阻器R1和R2等于10 MΩ，压电传感器的电容测量值为500pF。对于最高频率10Hz，总量2RwCS=0.6<<2A+1=501，并且传感器的输出ES 以E'的形式出现，没有相位误差。该电路能测量准静态力变化。它在C1上保持电荷的能力对电路的频率响应造成了最终限制。