基于压电传感器的放大电路分析

西安石油大学电子工程学院 陈阳正 邢亚敏 李玉凤 王炳友 朱清溪 罗紫薇

0 引言

压电式传感器是一种电量型传感器，由于压电元件不仅具有自发电和可逆两种主要性能，还具有体积小，重量轻，结构简单，固有频率高，灵敏度和信噪比高等优点，所以压电式传感器飞速发展，在石油方面应用也十分广泛，近几年随着石油勘探工作的深入，面对复杂的地形，压电传感器作为首先元件，应用于石油测井、浅海勘探等石油勘探领域，也取得了优异的成果。利用好压电式传感器最核心的部分还是放大电路的设计，一般来说压电传感器的输出信号非常的微弱，并且传感器本身输出阻抗高，为了减小测量误差，我们必须接很大的负载阻抗，所以，通常我们会将传感器的输出信号接到高输入阻抗的前置放大电路中。

1 压电式传感器的工作原理

压电式传感器是通过压电效应进行能量转换的，归属于惯性力传感器的范畴，压电效应分为顺压电效应和逆压电效应两大类，对于一些特殊的带电材料，在沿着一定方向上受到外力的作用而变形，内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生极性相反的电荷；当去掉外力后，又会重新回到不带电的状态，这种机械能转化成为电能的现象成为顺压电效应。相反地，在电介质物质的极化方向上施加电场，它就会产生机械形变，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转化成机械能的现象称为逆压电效应，即压电效应是可逆的，具有压电效应的电介质物质称为压电材料，其中石英晶体是良好的纯天然压电晶体，此外还有压电陶瓷等多种晶体，也同样具有良好的压电转换功能。

1.1 放大电路设计原理

压电传感器的前置放大有两个作用，一个是放大压电传感器输出的微弱信号；二是把压电传感器的高输出阻抗变为低阻抗输出，根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号，因此前置放大器有两种形式：

（1）电压放大器：其输出电压与传感器的输出电压成正比；

（2）电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。

电压放大器和电荷放大器的等效原理图如图1所示。

图1 电压放大器和电荷放大器的等效电路

1.2 电压放大电路分析

压电传感器与电压放大器相连的等效电路如图1(a)所示。

如图2(a)中，等效电阻、等效电容分别为：

设在压电元件上受到角频率为w，压电系数为μX，幅值为Fm的力，即：

在外力的作用下在压电器件上产生的电压值为：

输入电压的幅值为：

如式(7)可得，当w远大于w0时，可以近似看作电压与作用力的频率无关，在时间常数一定的情况下，传感器输入信号的频率越高，其线性度越好，即压电式传感器的频率响应越好。

所以电压放大电路一般适用于高频。

1.3 电荷放大电路分析

电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器，作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益的放大器构成，其等效电路如图1(b)所示，其电压输出为：

一般，当增溢足够大时，传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。通过表达式(8)很容易看出三个电容的和是一个定值，当(1+A)Cf远大于这个定值的时候我们就可以近似的认为输出电压与电容无关

电荷放大器的时间常数很大，下限截止频率很低，输出阻抗远小于输入阻抗，因此，在低频响应中比电压放大器要好很多，故应该将两者配合使用。

2 放大电路总结

通过以上对电压放大电路和电荷电路的分析和对比可以得出，两种放大电路适用于不同的频率响应，高频时采用电压放大，低频时采用电荷放大，在实际的工程勘察中，压电式传感器的放大电路时，我们应该结合实际需求，将两个电路结合起来配合使用，才能对被测物进行有效的测量。

3 结束语

压电传感器的优势十分明显，但是其输出信号十分的微弱，在实际测量中我们必须设计放大电路将信号放大，否则无法对被测物体进行有效的测量，电压放大电路的优点就是电路结构简单，元器件少，成本低，但是对电缆的长度一定的限制，电缆不能太长，灵敏度受电缆长度的影响很大。在实际测量中我们常常使用电荷放大器，其灵敏度与电缆无关，而且可以得到很好的低频特性。

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