传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计
压电加速度传感器系统设计
毕业设计压电加速度传感器系统设计摘要现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。
所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。
它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题。
而动态测试中振动和冲击的精确测量又显得尤其重要。
振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器。
世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。
由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。
压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。
但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。
如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。
因此，与之配套的测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。
目前最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，它能得到与输入电荷成比例的电压输出。
它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。
这对使用者来说非常方便。
但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些因素都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。
本文针对上述情况，对传感器的测量电路做了深入的研究工作，分析了各种测量电路的特点，提出采用一种集成芯片来取代大量分离元件实现电荷转换电路的设想，通过实验验证本设计的可行性和可靠性，对存在的干扰信号做了细致的理论分析，并采取相关办法进行解决，最后和标准电荷放大器的性能进行对比。
实验结果表明本设计是可行的。
压电式加速度传感器
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目压电式加速度传感器班级机设七班学号姓名孙国强成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一四年五月压电式加速度传感器摘要：现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。
所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。
振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。
压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。
其中，压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。
一、传感器物理效应及工作原理压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。
正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。
逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失，又称电致伸缩效应。
压电材料:石英晶体是目前广泛应用成本较低的人造石英晶体，有很大的机械强度和稳定的机械性能，温度稳定性好，但灵敏度低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替，至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。
除此之外，压电陶瓷有较高的压电系数和介电常数，灵敏度高，但机械强度不如石英晶体好。
压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它是典型的有源传感器，利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。
PZT 压电加速度传感器的设计
PZT 压电加速度传感器的设计1.1 课题研究的目的和意义加速度传感器应用与设计的要求最初是由航空航天、机器人、军事领域中对物体控制等特殊领域中提出的。
例如，在航空航天领域，由于各种运载工具和飞航系统在飞行过程中，来自自身推力系统产生的振动以及大气环境的影响而产生的振动直接影响系统的飞行姿态和运行轨迹。
因此，必须随时监测其各类负载的振动状态。
但是长期以来，我国各种大型运载工具和飞行器上测控用的加速度传感器都是单轴结构，只有一维功能，故无法提供全面的加速度信息，必须同时采用多个一维加速度传感器，这在一定程度上制约了对飞行器飞行姿态测试和控制的精确性和有效性。
显而易见，只能获取一维加速度分量与时获得测量处六维加速度信息是有着本质上的区别的。
所以对多维加速度传感器的研究具有明显的科学技术价值与重要意义，因此对多维加速度传感器的研制不仅在机器人领域而且在其它领域仍然意义重大。
多维加速度传感器的研制国内外还处于起步阶段，所以寻求一种新的途径进行多维加速度传感器的设计成为多维加速度传感器设计的一项重要课题。
多维加速度传感器一般是由敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。
除自源型传感器外，还需外加辅助电源，用框图表示如下。
结合振动轮系统理论分析结论,采用如图4所示的测量系统,选择某样机在施工现场测取系统的主要响应信号。
由分离的加速度计、电荷放大器、数据采集测试仪组成振动测量系统,该系统主要技术指标如下通道数为8;采集方式为多通道并行;A/D分辨率为12bit;最高采样频率为1MHz;频率范围为015Hz～6kHz;低通滤波器的衰减斜率为- 12dB/OCT;加速度测量范围为0～50m/ s2;数据存储深度为任意(视硬盘空间而定) 。
图1.2 总的设计框图可以看出，弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要，是传感器设计的关键。
由于磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了压电式加速度传感器，压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、耐高温、测量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点。
8 传感器实验-加速度传感器
传感器实验压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。
虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。
与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
加速度传感器知识准备1 以上知识点，可参阅<M M A 7660.P D F >讯方公司 传感器实验通过本实验了解加速度传感器的硬件电路和工作原理1．编写一个读取加速度传感器输出信号的程序2． 将X 、Y 、Z 三个轴的加速度值分别做简单的处理显示1． 硬件部分（1） 采集节点一个（2）J-Link 仿真器一个 （3） 显示终端一台 （4） 加速度传感器一个2． 软件部分Keil μVision4 开发环境，J-Link 驱动程序1． 加速度传感器工作原理电路中用到，加速度传感器电路、信号放大电路、单片机系统、状态显示系统构成。
其基本工作原理：经过信号放大电路，加速度传感器电路将感受到X 、Y 、Z 三个轴加速度以数字形式输出至单片机系统, 由状态显示系统进行显示。
加速度传感器工作框图如图5-1：图5-1 电路工作框图2.加速度传感器的硬件电路图电路中，加速度传感器电路如图5-2。
图5-2 加速度传感器原理图3.工作模式:mma7660主要有三种工作模式.(通过设置MODE寄存器)1).Standby(待机)模式此时只有I2C工作,接收主机来的指令. 该模式用来设置寄存器. 也就是说, 要想改变mma7660的任何一个寄存器的值,必须先进入Standby模式. 设置完成后再进入Active或Auto-Sleep模式.2).Active and Auto-Sleep (活动并且Auto-Sleep) 模式mma7660的工作状态分两种, 一种是高频度采样, 一种是低频度采样. 为什么这样分呢, 为了节省功耗,但是在活动时又保持足够的灵敏度. 所以说mma7660的Active模式其实又分两种模式,一种是纯粹的Active模式, 即进了Active模式后一直保持高的采样频率,不变. 还有一种是Active & Auto-Sleep模式, 就是说系统激活后先进入高频率采样,经过一定时间后,如果没检测到有活动,它就进入低频率采样 ,所以就叫做Auto-Sleep, Sleep并不是真的Sleep , 只是说降低采样频率.低频率采样模式又叫Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.3). Auto-Wake (自动唤醒) 模式Auto-Sleep后就进入低频率采样模式,这种模式就叫做Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.讯方公司传感器实验6 实验步骤实验基本步骤如下：1．启动Keil μVision4，新建一个项目工程Bank，添加常用组，并添加相应库函数；2．在user文件中建立main.c,SystemInit.c,PublicFuc.c文件；3．新建一个组sensor，在sensor中编写读取加速度传感器数值变化的代码；4．编译链接工程，并生成hex 文件，所有文件如下图6-1所示：图6-1 文件示意图5．将加速度传感器接到传感器接口1；图 6-2 加速度传感器6．将J-Link仿真器、ZigBee路由器接入传感器采集节点,仿真器USB 接口连入PC 机，插好电源，并打开开发实验箱上的电源开关，如图6-3：图6-3 硬件连接示意图7． 将ZigBee 协调器接入智能网关，插好电源，并打开电源启动智能网关系统，运行传感器实验显示程序；图6-4 传感器实验显示程序电源开关电源传感器接口1传感器接口2传感器接口3J-LINK 接口ZigBee_DEBUG复位 节点按键 拨码开关 ZigBee 按键 红外发射天线指示灯ZigBee 复位讯方公司 传感器实验图6-5 智能网关连接示意图8． 选择【Debug 】->【Start/Stop Debug Session 】,启动J-Link 进行仿真调试； 9． 选择【Debug 】->【run 】或者按快捷键“F5”,运行程序； 10． 验证：移动加速度传感器，观察显示屏上数值的变化；11． 验证完毕后，退出J-Link 仿真界面，关闭Keil μVision4软件；关闭硬件电源，整理桌面； 12． 实验完毕。
压电式传感器测量加速度课程方案
本文研究设计的压电式传感器测量加速度采用了通用的电子元器件，利用压电式传感器，利用单实践，体现出大学生的动手能力。通过查资料和收集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且有原先的被动接受只是转换为主动寻求只是，这可以收拾学习方法上的一个很大突破。在以往的传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，但是通过本次设计，我们学会了如何将学到的知识化为自己的东西，学会了怎么良好的处理知识和实践相结合的问题，把握重点，攻克难关，学到用到活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处，硬件设计已经完成，在调试设计中有些功能还尚未能开发出来。但在以后的设计中，我们会严格要求自己最求完美。
2.
第三章
上图显示了加速度传感器的结构.它具有两块X切向石英晶体,若对畕体施加压力则在中心电极上产生的电荷是叠加的，由环状弹賛施加的机槭顶载必须比预期沿向上方向所施最大加速度力要大。晶体的两外表面与壳罩相连因而处于低电位.此传感器具有0.62pC/g的输出，并在15kHz左右发生最低频率谐振。两晶体的电容仅有几个pF.从而与任一长度的电缆电容相比均可忽略不计。传感器重约250~300 g,可用螺栓固定=加上电缆.若总电容是500 pF.则开路输出电压是
随着现代科技的发展，传感器的应用也越来越重要，无论是那种传感器在今后的生活中一定是必不可少的应用元件。在现代的军事，家电，汽车，都离不开传感器的应用。因此我们要在以后的学习中更加努力，真正学好这门技术。
参考文献
[1]《传感器的理论与设计基础及其应用》单成祥国防工业出版社
[2]《压电式加速度传感器的结构改进与设计》叶伟国沈国伟绍兴文理学院
传感器的实验报告
课题名称：应用压电式传感器测
量加速度的电路设计
班级：05131102
压电加速度传感器测量电路的设计
压 电加 速 度 传 感 器 测 量 电路 的 设 计
梁 鑫 ， 徐 慧
（ 南 京 林 业 大 学 信息 科 学 与 技 术 学 院 ， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ３ ７ ）
摘
要： 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 Ｔ Ｌ ０ ８ ４代 替 大 量 分 离 元 件 的 电荷 放 大 器 的 测 量 电 路 设
ｅ ｎｃ ｅ ｆ ｏｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｉ ｎ ｇ ｔ ｈｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｉ ｌ ａ ｒ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ．Ｉ ｔ ｍ ａ ｙ ｂｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏｆ ｖａ ｒ ｉ ｏｕｓ ｄｙ ｎａ ｍｉ ｃ
ｇ ｅ ｓ ．Ｔｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｐ ａ ｔ ｃ ｈ ｅ ｓ ｌ ｅ ａ ｋ ｓ ｑ ｕ ｉ ｃ ｋ ｌ ｙ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ．Ｓ ｏ ａ ｎ ｉ ｄ ｅ ａ ｏ ｆ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｈ ｉ ｐ ＴＬ ０ ８ ４ ｔ ｏ ｒ ｅ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｉ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｉ ｓ ｐ ｕ ｔ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ． Ｃｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓ ａ ｖ ａ ｉ ｌ ａ ｂ ｌ ｅ ．Ａｎ ｄ ｉ ｔ ｈ ａ ｓ ｓ ｏ ｍｅ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ —
基于压电效应的加速度传感器设计
基于压电效应的加速度传感器设计简介加速度传感器是一种常见的传感器，可测量物体的加速度。
本文将介绍一种基于压电效应的加速度传感器设计，该设计利用压电材料的特性来测量加速度。
原理压电效应是指某些晶体材料在受力或压力作用下会产生电荷或电位差的现象。
基于压电效应的加速度传感器利用压电材料的变形来测量加速度。
当加速度作用于传感器时，压电材料会发生微小的形变，从而产生电荷或电位差。
通过测量这种电信号的变化，可以间接测量加速度的大小。
设计要点1. 选择合适的压电材料：根据传感器的特性和应用场景，选择合适的压电材料。
常用的压电材料包括石英、陶瓷和聚合物等。
2. 建立机械结构：设计传感器的机械结构，使压电材料能够受到加速度的作用，并产生相应的电信号。
机械结构应具有合适的灵敏度和稳定性。
3. 电路设计：设计合适的电路来接收和放大压电材料产生的电信号。
电路应具有一定的放大倍数和频率响应特性。
4. 功耗和尺寸优化：对传感器的功耗和尺寸进行优化，以满足应用的需求。
可以考虑使用低功耗电路和微型封装技术。
应用场景基于压电效应的加速度传感器广泛应用于科学研究、工业生产和消费电子等领域。
它可以用于测量物体的加速度、振动和冲击力等参数，为相关领域的研究和应用提供重要数据支持。
结论基于压电效应的加速度传感器设计是一种常见且有效的加速度测量方法。
通过选择合适的压电材料、设计合理的机械结构和电路，并进行功耗和尺寸优化，可以实现高精度和可靠的加速度测量。
该设计在科学研究、工业生产和消费电子等领域有广泛的应用前景。
加速度传感器电路设计与数据处理算法
加速度传感器电路设计与数据处理算法概述随着科技的发展，加速度传感器广泛应用于可穿戴设备、汽车安全系统、智能手机等领域。
本文将讨论加速度传感器电路设计与数据处理算法的相关内容，介绍加速度传感器的基本原理以及常用的电路设计方案和数据处理算法。
1. 加速度传感器基本原理加速度传感器是一种测量物体加速度的装置。
它通过测量由物体产生的惯性力来精确测量物体在三个方向上的加速度。
常用的加速度传感器包括压电式、微机电系统（MEMS）式和霍尔式等。
压电式传感器基于压电效应，当物体受到外力作用时，引起压电材料产生电荷分布的变化。
通过测量电荷的变化，可以推断物体的加速度。
这种传感器具有较高的测量精度和频率响应，但成本较高。
MEMS式传感器基于微机电系统技术，通过微米级电极和敏感质量体的结构，测量感应质量体的微小变位。
这种传感器具有小巧轻便、功耗低的优点，并广泛应用于移动设备和汽车等领域。
霍尔式传感器基于霍尔效应，通过测量磁场的变化来推断加速度。
这种传感器具有高灵敏度和良好的温度稳定性，但受到外界磁场的干扰较大。
2. 加速度传感器电路设计在加速度传感器的电路设计中，主要考虑传感器的功耗、噪声、输出电压范围和抗干扰性等因素。
为了减小功耗，可以采用低功耗的运放和电源管理电路，保证传感器的正常工作并延长电池寿命。
为了减小噪声，可以采用金属屏蔽以及滤波电路。
金属屏蔽可以有效地减少传感器周围的电磁辐射干扰，而滤波电路可以滤除高频噪声。
为了保证输出电压范围，可以采用自适应增益控制电路和电流平衡电路。
自适应增益控制电路能够根据实际情况调整传感器的增益，提高信号的动态范围。
电流平衡电路能够减小由于工艺差异引起的零点漂移。
为了提高传感器的抗干扰性，可以采用差分信号放大器和通道隔离电路。
差分信号放大器能够抵抗共模信号干扰，提高信号的稳定性。
通道隔离电路能够将传感器与处理器之间的电气耦合分开，减少互相之间的干扰。
3. 加速度传感器数据处理算法加速度传感器数据处理算法是将原始传感器数据转化为可用于后续应用的信息的过程。
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课程设计说明书题目：压电式加速度传感器的设计学院（系）：电气工程学院课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
目录示例目录第1章摘要 (1)第2章引言 (2)第3章电路仿真及准备作 (3)第4章压电式加速度传感器的参数设计及计算 (12)4.1 结构设计 (12)4.2 电容设计与计算 (12)4.3 其他参数的计算 (12)第5章误差分析 (13)第6章结论 (14)心得体会 (14)参考文献 (15)第一章摘要传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。
传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。
现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。
传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。
压电式传感器是基于压电效应的传感器。
压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。
经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。
压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
第二章引言压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。
电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。
电荷放大器能将高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷。
它实际上是一种具有深度反馈的高增益放大器，输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的增益的变化以及电缆电容无关。
由于反馈电容与输出电压反比，因此要达到一定的灵敏度要求，必须选择适当容量的反馈电容。
使用电荷放大器的一个突出优点是，在一定的条件下，传感器的灵敏度和电缆的长短没有关系。
在设计压电传感器的过程中，电荷放大器是必不可少的一部分，设计内容中会对电荷放大器进行电路仿真并和实际响应进行比较以确定传感器的准确度。
第三章电路仿真及准备工作一电荷放大器分析：电荷放大器原理：电荷变换是该电荷放大器的核心部分，是一个具有电容负反馈的，输入阻抗极高的高增益运算放大器其中：a C 为压电传感器的等效电容，a R 为压电式传感器的等效绝缘漏电阻，Cc 为电缆等效电容，i C 为放大器的输入电容，i R 为放大器的输入阻抗，f C 为反馈电容，n U 是等效输入噪声电压，off U 是等效输入失调电压。
如将f C 折算到输入端，其等效电容为（1+K ）f C ，K 为运放的开环增益。
由于反馈电容、传感器电容、电缆电容及放大器电容并联，不计算噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为()[]f i c a f a C K C C C jw R K Ri R jwKQU +++++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++-=11110运算放大器的开环增益K 很大（约为104~106），故f R K /)1(+远大于a R 1+i R 1，f C K )1(+远大于i C a C C C ++，此时a R ， i R ， a C ， c C 和i C 都可以忽略不计，即压电传感器本身的电容大小和电缆长短对电荷放大器输出的影响可以忽略。
(1)o fKQU C K C =-++式中C=a C +Cc +i C 因为放大器是高增益的，K >>1,所以一般情况下（1+K ）f C >>C,则有o fQU C ≈-上式表明，当反馈电容f C 一定时，电荷放大器的输出电压与传感器产生电荷成正比，在实际电路中，考虑到电压灵敏度和量程的问题，一般f C 的值在100~10000pF 范围内选择。
,本设计选定10000pF ，即10nF 。
当开环增益A 很大，f R K /)1(+远大于a R 1+i R 1，f C K )1(+远大于i C a C C C ++不能忽略，（2..19）式可表示为：jwG C QC K jw R KjwKQ U f f f+-=+++-=f0)1(1 （1.4）当频率够低时，jw G f 就不能忽略。
因此式（2.20）是表示电荷放大器的低频响应。
F 越低，f fC w G =时，其输出电压幅值为：fC Q U 20=二 调频测量电路分析：调频测量电路是振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化使，振荡器的振荡频率发生变化虽然可以将频率作为测量系统的输出，用以判断被测非电量的大小，但此时是非线性的，不易矫正。
仿真电路时可以将图示中c1电容变化会使输出电压也随之发生变化。
三差动变压器等效电路分析：理想情况下的差动变压器输出电压为零，但实际上存在有零点残余电压，主要是两次级线圈的电气参数与几何尺寸不对称造成的。
四电桥电路分析：电桥电路中，万用表测量的是输出电压，函数发生器是输入电压。
在仿真过程中分别改变R1阻值， R1和R2阻值，R1、R2、R3、R4的阻值分别形成了单臂电桥、两臂差动电桥、全桥电路。
可以通过输入输出的电压值来确定电桥电路的性质及特点。
五电容式差压电路分析：图示是电容式差压电路，其原理和差动电路的原理相仿，改变图示中c1的电容量，输出电压值会变换，同时电压的正负也会发生变化。
六 桥式整流∏滤波电路XSC1ABExt Trig++__+_XMM1C1220uFC2220uFR1100¦¸1%L1300mHD1MDA25001243T1TS_PQ4_10V1220 Vrms 50 Hz 0¡ã 12453分析:第一幅波形图是稳定之前的波形图，第二幅是稳定之后的波形图。
七 全波整流电路XSC1A BExt Trig++__+_D11N4007D21N4007R11k¦¸5%V120 Vrms 50 Hz 0¡ã V220 Vrms 50 Hz 0¡ã214分析：全波整流电路是根据二极管的单项导电的特性进行全波整流的实现，如图是之前的信号，下面的是经过全波整流之后的信号波形。
八 积分电路U1VCCVEEVCCVEER11R2V1C1R32R40XSC143分析：上图是典型的积分电路图。
由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始电量为零，故此时给电容充电。
由理想运算放大器的虚短、虚断性质得，（vi-0）/R=C*d(0-vo)/dt,所以vo=-1/（RC）∫vdt.如果把R1和C换个位置，就成了微分电路（但输入的电压应该是交流信号才可通过电容）。
九三相整流桥电路V11 Vpk 1 Hz 0°V21 Vpk 1 Hz 120°V31 Vpk 1 Hz 240°D11N4009D21N4009D41N4009D51N4009 17D31N4009D61N400934R11kΩXSC1A BExt T rig++__+_C1100uF6分析：三项整流桥电路也是利用的二极管的单项导电性质进行对交流信号的选择性通过来形成的。
十 同相比例放大电路U1ALM324AJ321141R11k ΩR22k ΩR31k Ω12V12 Vrms 1k Hz 0°R41k ΩXSC1A BExt Trig++__+_43第四章压电式加速度传感器的参数设计及计算4.1 结构设计压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是典型的有源传感器。
利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。
实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。
当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。
当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。
电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。
压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。
这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。
4.2电容设计和计算由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。
同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为Ca=εrεo/d式中A为晶片电极面面积；r为压电材料的相对介电常数；0为真空介电常数。
因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。
(2)放大传感器输出的微弱信号。
本设计中前置放大器采用电荷放大器。
压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻iR、输人电容iC及压电传感器的泄漏电阻aR。
4.3其它性能参数计算1 迟滞特性迟滞特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入曲线不重合的程度，也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷。
2 重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度，若特性曲线一致，重复性就好，误差也小。
3 线性度把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟合直线，其方程式为Y=kx＋b式中y为输出量；x为输入量；b为y轴上的截距；k为直线的斜率。