电压放大器如何驱动压电传感器进行信号放大
压电陶瓷本质上就是在被外电场极化之后,当外电场去掉时在与极化方向垂直的两个端面上将分别出现正、负极性的束缚电荷,它们会吸附空气中的自由电荷后对外不显电性。这时若晶体受沿极化方向压缩作用力时,它将会产生形变,而束缚电荷间距会变小,电畴会发生偏移,引起剩余极化强度变小,表面自由电荷有部分释放呈现放电现象,在极化面上会产生电荷的变化。这就是压电陶瓷产生压电效应的原因。
b.目前压电传感器大多采用压电陶瓷制作而成,毕竟它有很高的介电常数,并且工作温度可以到200℃以上——锆钛酸铅(PZT-4、PZT-5、PZT-8)。
不过它也有一个缺点:因为极化后的压电陶瓷由于受温度影响,又使压电特性减弱。刚刚极化后的压电陶瓷特性不是很稳定,经过两三个月d33(压电系数/(pC/N))才近似常数,而经过两三年后,d33又会下降,所以这种材料的传感器需要注意校准、修正。
c.目前比较好的压电材料有:聚偏二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)。其中的一个很大有点就是它们的压电灵敏度很高。
根据压电传感器的等效电路(等效电压源、等效电荷源)可知,压电元件输出的可以是电压源,也可以是电荷源。因此压电传感器的前置放大电路也可以分为电压放大器、电荷放大器两种。
电压放大器(阻抗变换):
图1电压放大器等效电路
注:Ca-等效电容;Ra-传感器的泄露电阻;Ri、Ci分别为前置放大器的输入电阻跟输入电容;Cc-连接电缆的等效电容。
该电路可以得到输入电压幅度为:
传感器的电压灵敏度可表示为:
电压放大器输入回路的时间常数:
这样的电路形式有点需要注意:
a.近似的认为输入信号Ui与作用力F的频率无关,可以说明电压放大器的高频响应好,动态特性好;
b.提高低频响应的办法是增大时间常数,但是传感器的电压灵敏度与电容成反比关系,所以并不能单纯的增加输入电容解决问题。实际应用种是增大前置放大器输入回路的电阻,所以在选择放大器的时候就应该要求放大器具有高输入阻抗;
c.另外连接电缆的分布电容Cc也会影响传感器的灵敏度,仪器使用时只要更换电缆,就必须要重新标定传感器。
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