高阻运放CA3140在压电式加速度传感器信号调理电路中的应用_张青春

【122】 第34卷 第12期 2012-12(下)
输出波形图。根据实测的两个波形比较，本设计 电路的性能明显优于常规的电荷放大器，完全能 够满足工程动态测试需要。
2.2 测试中干扰信号分析[3] 在调试过程中遇到的最大问题是对噪声信
号的处理。本设计选用高输入阻抗放大器，被 测的信号比较微弱，所以信号对外界噪声干扰 特别敏感，电缆的抖动，输入端的清洁，屏蔽 的接地都能对信号产生影响，所以在试验时应 注意以下两点：
R7 47K 0.4nF
R9 28.4K
R8 95K C4
R10 28.4K
1 2 3 4
C5 -15V 0.4nF
U3 CA3140
Offiet Null Strobe 8
In(-)
-15V 7
In(+)
Out 6
5
-15V Offiet Null
+15V
图5 低通滤波器电路图 第34卷 第12期 2012-12(下) 【121】
【120】 第34卷 第12期 2012-12(下)
增益带宽为 4.5MHz，宽带等效输入噪声电压为 48μV， 转 换 速 率 为 9V/μS， 供 电 电 压 为 ±15V。 是一种具有卓越性能的运算放大器，具有广泛的 应用范围，常用于各类放大器、有源滤波器、比 较器等电路设计中。
为了保证精度，反馈电容采用稳定性及绝缘 电阻高的精密聚苯乙烯电容。为了保证电路的增 益，考虑到压电加速度传感器的输出电荷量，反 馈电容 Cf 一般取 100pF ～ 10000pF。
2）为了滤掉 50Hz 的电源干扰信号，设计高通 滤波器的下限频率为 100Hz，取 C6 = 100nF，根 据公式：fL = 1/2pRC，可得 R11 = 16kΩ。
2 试验与调试
2.1 加速度信号测量 试验中采用的 BZ1103 压电式式单轴加速度传
感器，灵敏度为 1PC/ms-2，谐振频率为 35kHz。 将传感器安放在砼楼板底面上，用锤击的方法在 传感器附件进行激振产生应力波，加速度传感器 感测声波输出电荷信号，将其输出接电荷放大器 输入端，信号调理电路的输出端接虚拟示波器信 号输入端。通过如下两种测试分析，检验信号调 理电路整体性能。
22.6kΩ，R9 = R10 = 67.5kΩ。
1.4 高通滤波器及输出放大器 为了减少直流漂移影响，滤掉电源 50Hz 的干
扰信号，在低通滤波器后加一个高通滤波器。本 设计的高通滤波器由一阶 RC 电路和运算放大器组 成。由于信号通过高通滤波电路后将有一定的衰 减，同时为了改变整个信号调理电路的增益，以 满足数据采集器输入信号的要求。因此，在电路 中设计一个输出放大器。高通滤波及和输出放大 器电路图如图 6 所示。电路具体参数确定如下：
R12
R13
2K
100K
1
2 C6
3
100MF -15V 4 R11 16K
U4 CA3140
Offset Null Strobe
8
In(-)
-15V 7
In(+)
Out 6
-15V Offset Null 5
+15V
图6 高通滤波器及输出放大器电路图
1）输 出 同 相 放 大 器 增 益 A， 由 电 阻 R13 与 R12 的比值确定。
1
Offiet Null Strobe
8
R4
2 In(-)
-15V 7 +15V
2K
3 In(+)
Out 6
R5 -15V 4 -15V Offiet Null 5 10K
图4 适调放大器电路图
1.2 适调放大器 为了保证被测量一定时，不同灵敏度的传感
器经过测量电路后有相同的输出，以便波形及数 据的显示和处理，在电荷放大器后增加一级适调 放大器。假定传感器的电荷灵敏度 SQ=Q1/g，电荷 放大器的增益为 KQ=V1/Q1，适调放大器的增益为 K1=VO/V1，则总的传递系数为三者的乘积：
本文根据工程动态测试的需要，针对动态测 试中普遍存在的信噪比低、信号质量差、干扰严 重等实际问题，通过对常用的压电式加速度传感 器输出信号的调理电路进行分析与研究，提出了 一种经济、可行的解决方案，设计一种新型、实 用信号调理电路。
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图1 动态测试系统框图
当反馈电容 Cf 一定时 ,KQ 是常数；传感器的 灵敏度不同时 , 适当调节适调放大器的增益 K1， 可使总增益 K 不变。
适 调 放 大 器 电 路 图 如 图 4 所 示。 电 路 中
R4=2kΩ，R5=10kΩ， 可 变 电 阻 R6=100kΩ（计 算 时取 20 kΩ），试验所采用加速度传感器 SQ=1PC/ m·s-2，1g=9.8m·s-2，代入上式可计算电路增益为：
高阻运放CA3140在压电式加速度传感器信号调理 电路中的应用
Application of high resistance op-amp CA3140 in the piezoelectric acceleration sensor signal disposal circuit
张青春
ZHANG Qing-chun
0 引言
随着科学技术的发展，结构的动态测试和故 障诊断已成为人们关注的焦点。动态测试的主要 任务包括：激励被测对象，产生振动信号；借助 于各类振动测量传感器，获取振动信号；信号调 理电路对传感器输出信号进行处理；计算机采集 和分析动态信号，实现结构内部缺陷的诊断和设 备运行状况的在线监测。
图 1 为基于虚拟仪器动态测试系统框图，由 激振源、加速度传感器、信号调理电路、数据采 集器、计算机与 LabVIEW 图形化软件等模块组 成。激振源一般采用激振器或锤激方法，产生激 励信号；加速度传感器（或振动传感器）、信号调 理电路，将被测的振动信号转变为 0 ～ 5V 电压信 号；数据采集器将模拟电源信号转变为数字信号 送给计算机，通过 Labview 图形化软件，完成信 号的采集与分析。
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Labview
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1 信号调理电路的组成与实现[1,2]
信号调理电路一般由电荷放大器、适调放大 器、低通滤波器、高通滤波器、输出放大器等部 分组成，其原理框图如图 2 所示。
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图2 信号调理电路框图
压电式加速度传感器输出的高阻电荷信号首 先经电荷放大器转变为低内阻电压信号，再经适 调 放 大 器 归 一 后 送 入 低 通 滤 波 器、 高 通 滤 波 器， 经输出放大器放大后达到 0 ～ 5V 电压信号，再输 出给数据采集器。
1）采用 DSO-2090 数据采集器，在相同的采样 频率 100KHz、相同的 2V 显示量程下调节不同的放 大倍数得出的两个波形图。根据实测的两个波形比 较，信号调理电路增益改变，显示波形幅值随之变 化，且具有良好的稳定性、同步性和抗干扰能力。
2）采用 DSO-2090 数据采集器，在相同的采 样频率 100kHz、相同的 1V 显示量程下，信号分 别通过常规电荷放大器和设计的信号调理电路时
1）连接导线的固定：连接的导线虽然是低噪 音电缆，但若接头固定不当，也会产生一些噪声， 导线的抖动或弯曲会引起导线间的分布电容和电 荷量的变化。因此，试验时加速度传感器与信号 电荷放大器之间连接导线的接头必须牢靠，在传 感器近端的导线尽可能平直。
2）接地点的选择：当信号调理电路与压电加 速度传感器、数据采集器组成测试系统时，往往 由于接地点选择不当，各点的地电位不相等，会 引入严重的干扰，使测量无法进行。因此测量系 统最好只有一个接地点。
参考文献：
[1] 李勇, 艾竹君, 刘巧云. 一种新型电荷放大器的设计方法 与电路[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2006, 29 (12).
[2] 邓维礼, 秦岚, 刘俊, 许斌. 基于Multisim 的准静态电荷 放大器仿真分析[J]. 国外电子测量技术, 2009, 28 (4).
低通滤波器电路图如图 5 所示。在 RC 网络 上加上运算放大器等元器件，组成有源 RC 低通 滤波器。有源 RC 低通滤波器在通带内不但无衰 减，而且有一定的增益。采用快速设计方法，通 过查表确定有源巴特沃斯低通滤波电路参数。设 低通滤波器的截止频率为 fc，则当 fc = 40kHz，取 C4 = C5 = 0.5nF，R7 = 1.2kΩ，R8 = 2.4kΩ，R9 = R10 = 6.8kΩ； 当 fc = 60kHz， 取 C4 = C5 = 0.4nF， R7 = 4.7kΩ，R8 = 9.5kΩ，R9 = R10 = 28.4kΩ； 当 fc = 100kHz， 取 C4 = C5 = 0.1nF，R7 = 11.3kΩ，R8 =
靠，具有较高的性价比，可广泛应用于设加速度传感器；高阻运放CA3140；信号调理电路；滤波器
中图分类号：TM932
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2012)12(下)-0120-03
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.12(下).34
电荷放大器电路图如图 3 所示。在高阻放大 器的反向输入端选用 0.22μF 电容和一个 RC 并联 电路串联，其作用是消除压电传感器的零漂；同 时为了保护运放 CA3140 , 在其反相端串接电阻 R1 ；为避免运放 CA3140 产生自激振荡 , 在 R1 两 端并联电容 C2 实现相位补偿。根据运算放大器本 身性能，选择正向输入端的可变电阻 R2 为 10kΩ。
C23
1
Q
R1 C1 2K
C2 0.22MF
20pF R3
100M
-15V R2 10K
U1 CA3140