基于压电传感器的电荷放大测量电路的优化方案

第30卷第12期2012年12月河南科学HENANSCIENCEVol.30No.12Dec.2012收稿日期：2012-11-20基金项目：郑州市科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２１２０１－５，１０ＰＴＧＳ５０７－６）作者简介：仵征（１９７９－），男，河南周口人，讲师，硕士，主要研究方向为机电一体化检测与控制技术.文章编号：1004-3918（2012）12-1734-04基于压电传感器的电荷放大测量电路的优化方案仵征，郝屏（河南化工职业学院机电系，郑州４５００４２）摘要：从压电传感器的工作特点、适用范围和影响压电传感器工作性能的主要因素出发，在给出了压电传感器两种测量电路的基础上，进一步分析了电荷放大器测量电路的性能.提出设计一种差分放大形式的信号调理电路来减小干扰和漂移，通过ＥＷＢ电子仿真软件对所设计的信号适调电路进行仿真，结果表明，差分放大形式的信号适调电路达到了预期的优化要求.关键词：压电传感器；电荷放大器；差分放大器；信号适调电路；仿真中图分类号：TM930.111文献标识码：ATｈｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣｈａｒｇｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＭｅａｓｕｒｉｎｇｏｆｔｈｅＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｅｎｓｏｒＷｕＺｈｅｎｇ，ＨａｏＰｉｎｇ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｅｒｖｉｃｅｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＨｅｎａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００４２，China）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｃｏｐｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｏｍｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇpｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒs，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｔｈａｔareｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔsisｆｕｒｔｈｅｒanalyzed．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒs，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｍｓｏｆｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔareｄｅｓｉｇｎedｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｄｒｉｆｔ．ＡｎｄｔｈｒｏｕｇｈＥＷＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔisｓｉｍｕｌａted.Tｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎformｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：pｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃsｅｎｓｏｒ；ｃｈａｒｇｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ；dｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌaｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｓｉｇｎａｌａｄａｐｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ；sｉｍｕｌａｔｉｏｎ压电传感器在很多方面都表现出了优越的性能[1]，但也存在着一些缺陷[2].比如压电传感器灵敏度较高，但在变温环境下却会发生变化[3].已经有研究提出了一种参数描述方法，依此来计算变温时器件的灵敏度[4]大小并有效校正了测量值，还设想将传感器的阻抗变换电路和温度校正电路集成一体化放置在传感器内部[5]，这样可以提高测量的自动化程度和实时测量的准确性.通常压电传感器配接的测量电路有电压放大器测量系统、电荷放大器测量系统两种[6].电荷放大器测量系统允许使用很长的电缆，并且电缆电容的变化基本上不影响其输出和灵敏度大小[7].需要指出的是，电荷放大器比电压放大器的价格高，电路较复杂，调整也比较困难；电压放大器测量系统的输出将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换会引起重新标定的麻烦[8].从实际工程的应用和集成技术的发展状况两方面来看，目前多采用电荷放大器作为压电传感器的测量电路.因此，下面针对电荷放大器的有关性能做进一步的分析和探讨.１电荷放大测量电路的噪声、干扰和漂移分析电荷放大器的噪声主要来自输入级元器件和输入电缆[9].而电路的干扰主要是５０Ｈｚ交流通过杂散电2012年12月容耦合到输入端形成的.电荷放大器的零点漂移主要是由输入级差动晶体管电路的失调电压和失调电流产生的.若输入级采用场效应管，则输入偏置电流很小，故失调电压是引起零点漂移的主要原因.将噪声和零点漂移等效到电荷放大器的输入端，用Ｕｎ表示等效输入噪声电压，Ｕoff表示等效输入失调电压，则可得到其等效输入电路，如图１所示.图中Ｕon为噪声输出电压，Ｕof为零点漂移输出电压.将输入电荷Ｑ及等效输入失调电压Ｕoff均取为零，则由图1可以分析出等效输入噪声与其在输出端产生的噪声电压Ｕon之间的关系为：Ｕon=1+j棕（Ca+Cc）+Gc+Gij棕Cf+Gf!Ｕn，（１）其中：Gc—输入电缆的漏电导；Gi—放大器的输入电导；Gf—反馈电导.由式（１）可知，当输入电缆越长，反馈电容越小，则相应噪声电压Ｕn的增益越大，同时在输出端引起的噪声电压Ｕon也就越大，即干扰的传递系数越大[10].利用图１的等效电路，将输入电荷Ｑ及等效输入噪声电压Ｕon均取为零，同样可分析出电荷放大器的零点漂移为：Ｕof=1+j棕（Ca+Cc）+Gc+Gij棕Cf+Gf!Ｕoff，（２）由于零点漂移是一种缓慢变化的信号，可认为棕=0，由此可得到：Ｕof=1+Gc+GiGf!Ｕoff.（３）由公式（３）可知，要减小电荷放大器的零点漂移，必须使Gc、Gi小，也就是要提高电缆的绝缘电阻及放大器的输入电阻，另外，还要求增大Gf，即减小反馈电阻Rf.但是，电荷放大器的下限截止频率又要求Rf不能太小，可见，减小零点漂移与降低下限截止频率是相互矛盾的，应根据具体的使用情况选择合适的Rf值.２减小干扰和漂移信号适调电路的优化２．１信号适调电路的整体设计压电传感器信号适调电路是负反馈放大电路的一种，能得到与输入电荷成比例的电压输出，它最大的优点是传感器的输出与电缆电容无关，使用非常方便.但由于电荷放大器是高阻抗、高增益、电容反馈的电路，极易受外界电场及磁场的干扰[11]，故传统的实用电荷放大器由电荷转换级（A1＋电位器Ｗ）和输出变换级两部分组成，其中输出变换级由适调级（A2）、低通滤波器（A3）、高通滤波器（C4＋R4）、末级功放（A4）、过荷级（A5）等级部分组成，如图２所示.图2电荷放大测量电路框图Fig.2MeasuringcircuitdiagramofchargeamplificationQCaCcCiA1A2A3R4A4A5LED输出Rf2Cf1CC4RW图1电荷放大器噪声与漂移等效电路Fig.1EquivalentcircuitofnoiseanddriftaboutthechargeamplifierRfCfUoAUnUoffQCaCcRcR1Uo=Uon+Uof仵征，等：基于压电传感器的电荷放大测量电路的优化方案1735--第30卷第12期河南科学电荷转换级是电荷放大器的核心，其主要作用是将压电传感器所输出的电荷信号转换成电压信号.为了进一步减小电路的漂移、提高放大倍数，输出变换级采用差动放大电路的形式，并将其设计为功率型输出以提高驱动负载的能力.２．２元器件选型信号适调电路的核心是电荷转换部分的电路，它直接影响信号测量的准确性.由电路基本原理的分析可知，元器件的合理选择是保证电路质量的关键要素.２．２．１集成运算放大器的选型电荷转换级对运算放大器的要求主要在于：高增益、高输入阻抗、低漂移、宽频带.通过前面对电荷放大器电路的漂移分析，电荷转换级的输出漂移量只与输入失调电压、输入失调电流和输入偏置电流有关，要减小输出漂移就必须考虑这些因素的影响.基于以上因素的考虑，我们选用ＢＢ公司的ＯＰＡ１２８集成芯片.ＯＰＡ１２８的管脚分布如图３所示.２．２．２反馈电容的选择电荷转换级电路的实质可以看作是一个负反馈积分放大器，因此反馈电容的选择标准与阻容积分电路的要求基本一致，即应该选用泄露电阻大（如薄膜电容、聚苯乙烯电容等）以及吸附效应小（如聚苯乙烯电容、聚碳酸脂电容器等）的反馈电容[12].因此，我们选择聚苯乙烯电容作为电荷放大器电荷转换级的反馈电容.对于电容量的大小问题，我们既要保证电路的增益，又要尽量避免寄生电容的干扰，因此既不能选的太大，也不能选的太小.２．３电荷放大器电路图４为本设计电荷放大器的实际电路图.图４中，电阻R1是避免因电流过大而烧坏放大器，从而对集成运放起输入保护作用；与它并联的电容C3是为了避免电阻R1与集成运放的输入电容给放大电路增加一个附加的极点并产生９０°的附加相移，使放大电路不稳定而产生自激振荡[13]；电容C1的作用是为了防止因传感器内阻过小而产生的零漂；电容C4～C11的作用是对电源进行滤波处理.由于电荷放大器电路中反馈电容的存在使运放的负载呈现容性，考虑到高频段测量时运放的输出电阻不可忽略，故输出部分采用集成功率运算放大器ＯＰＡ５５２对信号进行调理放大以提高输出级的负载能力.ＯＰＡ５５２的带宽增益积为１２ＭＨｚ，转换速率可达２４Ｖ/滋Ｓ，输出最大电流为２００ｍＡ.在电路实际应用过程中，为抑制输入端的５０Ｈｚ交流干扰，可以采用屏蔽环，该屏蔽环应与ＯＰＡ１２８的金属外壳引脚８相连，对输入端加以隔离.图3OPA128的管脚分布Fig.3ThepindistributionofOPA128+Vcc-Vcc-+-In+InSubstrateandCaseOffsetOutputOffsetOPA12875614823图4电荷放大器电路Fig.4Chargeamplifiercircuit



0.2滋FC1C20.01滋FR2100m赘R12KC30.1滋FR32K赘+Vcc-Vcc0.1滋FC40.1滋FC5OPA128+Vcc-Vcc0.1滋FC60.1滋FC7OPA128+Vcc-Vcc0.1滋FC80.1滋FC9OPA128R110K赘R64K赘R52K赘R44K赘R71K赘R81K赘R1010K赘R910K赘+Vcc-Vcc0.1滋FC100.1滋FC11OPA1281736--2012年12月３信号适调电路仿真与分析利用ＥＷＢ电子仿真软件对所设计的信号适调电路进行仿真.在仿真时，为集成运放所选择的直流电源电压是１２Ｖ，并在输入端加入频率为１kＨｚ、大小０．０１Ｖ的噪声电压信号，经过仿真所得的幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图５和图６所示.从特性曲线中可以看出，所设计的信号适调电路具有很宽的频率响应范围和较好的截止频率，并且能很好地抑制零点漂移和噪声干扰.通过示波器观察，所输出的信号波形如图７所示.从图７可以看出，本文所设计的信号适调电路具有很高的放大倍数，完全可以满足压电传感器在很多场合中的应用.设计出的这种差分放大形式的信号调理电路可以减小干扰和信号漂移，通过ＥＷＢ电子仿真软件对所设计的信号适调电路进行仿真，结果表明，差分放大形式的信号适调电路达到了减小干扰和信号漂移的优化要求.参考文献：［１］张琳娜，刘武发．传感检测技术及应用［M］．北京：中国计量出版社，１９９９.［２］Ｈun，ＦukunagaＨ，ＭatsumotoＳ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅｕｓｉｎｇｅｍｂｅｄｄｅｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓ［J］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３４（７）：１２５８－１２７１．［３］OhtsukiＹ，ＹoshidaＴ．Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｃｅｒａｍｉｃｂｉａｘｉａｌａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ［J］．ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒ