设计压电传感器的电荷放大、滤波、电压放大电路的
压电传感器前置放大电路分析
压电传感器前置放大电路分析徐森林;刘学飞;孙攀;崔岢【摘要】介绍了压电传感器的基本工作原理和基本用途，然后分别介绍了两种前置放大电路。
这两种前置放大电路可用以对压电传感器所产生的极其微弱的信号进行直接放大，最后对这两种放大电路的放大原理进行了详细的分析，并通过对比给出了它们的优缺点以及各自所适用的场合。
%The basic working principle and basic purpose of piezoelectric sensor are introduced, and two kinds of preamplifiers are described respectively. Both of them are used to amplify the extremely weak signal produced by the piezoelectric sensor. The amplification principles of two kinds of amplifiers are analyzed in detail, and through the comparison of these two amplifiers, their merits and demerits as well as applicable situations are given.【期刊名称】《物联网技术》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】3页(P27-29)【关键词】压电传感器;电压放大器;电荷放大器;运算放大器【作者】徐森林;刘学飞;孙攀;崔岢【作者单位】西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500【正文语种】中文【中图分类】TN721.1传感器是感知各种信号的最直接工具。
传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计
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。
iepe电荷放大电路
iepe电荷放大电路IEPE电荷放大电路（Integrated Electronic Piezoelectric）是一种常用于测量压力、加速度和震动等物理量的电路。
IEPE电荷放大电路的设计和工作原理使得它在工业自动化、航空航天、车辆测试和医疗设备等领域得到广泛应用。
IEPE电荷放大电路由传感器、电荷放大器和滤波电路组成。
传感器是IEPE电荷放大电路的核心部件，它负责将物理量转换为电信号。
传感器通常使用压电材料制成，当受到压力或加速度等物理量的作用时，会产生电荷。
电荷放大器则负责放大传感器产生的微弱电荷信号，使其达到可以被测量和处理的范围。
滤波电路则用于滤除噪声和干扰信号，提高测量的准确性和可靠性。
IEPE电荷放大电路具有许多优点。
首先，它能够在长距离传输信号时保持高质量的信号。
因为IEPE电荷放大电路中传感器和放大器之间采用了电容耦合的方式，这种方式可以消除传感器和放大器之间的电阻和电感对信号传输的影响。
其次，IEPE电荷放大电路具有较高的增益和灵敏度，能够对微弱的电荷信号进行放大和测量。
此外，IEPE电荷放大电路还具有较宽的频率响应范围和较低的噪声水平，能够适应不同频率和幅值的物理量测量。
在实际应用中，IEPE电荷放大电路可以用于测量各种物理量。
例如，在工业自动化中，IEPE电荷放大电路可以用于测量机器设备的振动和冲击，以判断其工作状态和健康状况。
在航空航天领域，IEPE电荷放大电路可以用于飞机结构的振动监测和飞行姿态的测量。
在车辆测试中，IEPE电荷放大电路可以用于汽车底盘的振动测试和悬挂系统的调试。
在医疗设备中，IEPE电荷放大电路可以用于心电图和脑电图等信号的放大和处理。
然而，IEPE电荷放大电路也存在一些局限性。
首先，由于传感器和放大器之间采用了电容耦合的方式，传感器的电荷信号需要通过电缆传输到放大器，因此电缆的长度和质量会对信号传输产生影响。
其次，IEPE电荷放大电路对电源的要求较高，需要稳定的直流电源供电，否则会影响信号的质量和测量的准确性。
传感器题库及答案
传感器题库及答案压电式传感器一、选择填空题：1、压电式加速度传感器是传感器。
A、结构型B、适于测量直流信号C、适于测量缓变信号D、适于测量动态信号2、沿石英晶体的光轴z的方向施加作用力时，。
A、晶体不产生压电效应B、在晶体的电轴x方向产生电荷C、在晶体的机械轴y 方向产生电荷D、在晶体的光轴z方向产生电荷3、在电介质极化方向施加电场，电介质产生变形的现象称为。
A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应4、天然石英晶体与压电陶瓷比，石英晶体压电常数，压电陶瓷的稳定性。
A、高，差B、高，好C、低，差D、低，好5、沿石英晶体的电轴x的方向施加作用力产生电荷的压电效应称为。
A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应 6、压电式传感器可等效为一个电荷源和一个电容并联，也可等效为一个与电容相串联的电压源。
7、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有电压放大器和电荷放大器两种形式。
二、简答题1、什么是压电效应？纵向压电效应与横向压电效应有什么区别？答：某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；所以纵向压电效应与横向压电效应的主要区别在于施力方向不同，电荷产生方向也不同。
2、压电式传感器为何不能测量静态信号？答：因为压电传感元件是力敏感元件，压电式传感器是利用所测的物体的运动产生的相应的电信号，而静态的不能产生相应的电信号。
所以压电式传感器不能测量静态信号。
13、压电式传感器连接前置放大器的作用是什么？答：前置放大器的作用：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。
传感器考试1
1、运算%100minmaxmaxyyLL是计算传感器线性度的公式。
2、要使直流电桥平衡，必须使电桥相对臂电阻值的乘积相等。
3、量程是指传感器在__测量范围__内的上限值与下限值之差。
4、相对误差是指测量的__绝对误差__与被测量量真值的比值，通常用百分数表示。
5、传感器静态特性指标主要有灵敏度、线性度、迟滞性、重复性、漂移等。
6、半导体应变片在应力作用下电阻率发生变化，这种现象称为__压阻___效应。
7、电阻应变片一般由__敏感栅__、基片、覆盖层、引线四个部分组成，其中__敏感栅____ 是核心部件。
8、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称___应变_____效应；半导体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称_______压阻_____效应。
9、电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其工作原理是基于电阻应变效应。
10、半导体应变片工作原理是基于压阻效应效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大。
11、应变式传感器产生温度误差的原因为电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。
通常采用的温度补偿方法有线路补偿法、应变片自补偿法等。
12、电感式传感器是利用_电磁感应__原理，将被测量的变化转化成__电感_____变化的一种机电转换装置。
13、自感式传感器主要有变间隙式、变截面式和螺管式三种类型。
14、差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上由于两线圈的结构及参数不相等，差动变压器输出电压不为零，此电压称为_零点残余电压______。
15、在电感式传感器中，线圈之间的没有耦合的是自感式传感器，被测对象也是磁路一部分的是电涡流传感器。
16、电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为线圈的自感或互感的变化，并通过测量电路进一步转换为电量的变化，进而实现对非电量的测量。
17、电感式传感器根据工作原理的不同可分为自感式、互感式和电涡流式等种类。
压电式传感器 原理
压电式传感器原理
压电式传感器是一种常见的传感器类型，它利用压电效应来检测和转换压力、应变、加速度和力的变化。
压电效应指的是当一些特定的晶体或陶瓷材料受到压力或应变时，会产生电荷的聚集或分离，从而形成电压信号。
这种材料被称为压电材料。
常见的压电材料包括石英、压电陶瓷和聚偏二氟乙烯等。
压电式传感器的工作原理是将压电材料作为传感器的感应元件，当外界施加压力或应变时，材料会发生弹性变形，从而产生电荷的分布变化。
这个变化可以通过电极连接在压电材料上的方式来测量。
为了测量这一电荷信号，压电式传感器通常由压电材料、电极和信号调理电路组成。
当外部压力或应变作用于传感器时，压电材料产生电荷，在电极中产生电压。
信号调理电路会将这个电压信号放大、过滤和转换成可读取的信号，比如电流或电压。
压电式传感器具有许多优势，如高精度、快速响应、宽频率范围和良好的耐用性。
这些特点使得压电式传感器广泛应用于工业控制、机械测量、医疗设备和汽车工程等领域。
值得注意的是，压电式传感器的输出信号与外部压力或应变之间存在一定的非线性关系，因此在实际应用中需要进行校准和补偿。
另外，在选择和使用压电式传感器时，还需考虑适当的电极设计、尺寸选取以及工作环境对传感器性能的影响。
电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别 分别适用于什么场合
电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别分别适用于什么场合电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
多数传感器的感应部分能将机械量转变成微弱的电荷量Q，而且输出阻抗Ra极高。
而通过适配电荷放大器就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。
Ca配接传感器自身电容一般为数千pF，1/2RaCa决定传感器低频下限。
关于“电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别分别适用于什么场合”的详细说明。
1.电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别分别适用于什么场合电荷放大器电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
多数传感器的感应部分能将机械量转变成微弱的电荷量Q，而且输出阻抗Ra极高。
而通过适配电荷放大器就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。
Ca配接传感器自身电容一般为数千pF，1/2RaCa决定传感器低频下限。
电压放大器（Voltage Amplifier）是提高信号电压的装置。
对弱信号，常用多级放大，级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，要求放大倍数高、频率响应平坦、失真小。
当负载为谐振电路或耦合回路时，要求在指定频率范围内有较好幅频和相频特性以及较高的选择性。
电荷放大器和电压放大器各有何特点1、在使用压电晶体传感器的测试系统中，电荷放大器能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能够将传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出。
电压放大器能将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。
2、电压放大器为了与传感器匹配需要高输入阻抗，因此，抗干扰能力不足；电荷放大器的输出电压与输入电荷量成正比，因而，信噪比高。
3、电压放大器带宽、灵敏度受传感器线路电容量限制；电荷放大器只与电量有关，所以，频带宽，灵敏度也高。
4、在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则，在传感器过载时，会产生过高的输出电压。
实验 压电式传感器实验
实验压电式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。
二、实验内容及基本原理（一）实验内容1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法（二）实验原理压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1．压电效应：具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)图1 压电效应2．压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。
其中ea=Q/Ca 。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
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压电传感器前置放大电路的设计
姓名：陈贤波 学号：SX1201139
一：电荷放大电路
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。
它与压电式传感器及其电缆构成的等效电路如图-1所示。
图-1压电式传感器及其电缆构成的等效电路
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
（）
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+，f C K )1(+远
大于，此时， ， ， 和都可以忽略不计，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 f
KQ
U 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 f
Q
U 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+，f C K )1(+远大于不能忽略，（2..19）式可表示为：
jw G C Q C K jw R K
jwKQ U f f f
+-=
+++-=
f 0)1(1 （）
当频率够低时，jw G f 就不能忽略。
因此式（）是表示电荷放大器的低频响应。
F 越
低，f f
C w G =时，其输出电压幅值为：
可以看出，这是截止频率点电压值电压输出值，即相对应的下限截止频率为 f
f H C R f π21
=
若忽略运放的输入电容和输入电导，同时忽f G ，则上限频率为：
)
(21
c S C L C C R f +=
π （）
其中C R 为输入电缆直流电阻，本设计设为30Ω。
本设计选用f R 为1000MEG,经计算z L H f 016.0=。
传感器参数：压电传感器PZT 压电常数 d 33=450PC/N, d 31=-265PC/N, 相对介电常数2100 ，故压电传感器固有电容为：
nF S
C r s 717.30==
δ
εε 若传感器输入电缆分布电容为m pF 100，设有100m ，则nF C c 10=。
=H f ×5
10z H 。
要测的信号频率范围：1Hz~5KHz ，故满足要求。
压电传感器PZT压电常数 d33=450PC/N, d31=-265PC/N, 传感器配重10克，加速度范围0~10g，d，电荷G公式为:
本设计选用
33
Q•
=
d
F
33
故所测量的电荷范围为0~441pC。
本设计电荷放大器仿真电路如下图-2所示，仿真结果如图-3所示，结果分析如表-1所示。
图-2 电荷放大器电路
图-3 电压输出仿真
二：滤波电路
在实际检测过程中，由于外部干扰信号、外部环境的变化等因素的影响，噪声信号会叠加在有用的低频信号中在输出端输出。
为此，电荷放大器的设计中必须选用一种合适的滤波器对输出信号进行必要的处理。
巴特沃斯型滤波器具有最好的的平坦效应，在通带内和阻带内没有波纹。
由于传感器输出的信号很小，本文选用巴特沃斯滤波器。
查表得，增益为2时，
图-4低通滤波器
图-5 低通滤波器截止频率为5kHz时幅频特性曲线
由于前面仿真结果有很大的偏置，故本设计需要滤除低频信号，本设计选用最简单的高通滤波器，即一介无源高通滤波器。
设计要求信号频率范围是：1Hz~5KHz，根据
RC w c
π21
= （）
选用100uF 的电容，的电阻。
三：反相放大保护输出
此级电路主要作用是实现输出电压信号与电荷信号相位同步和二级放大，由于电荷转换级本身是一个积分器电路，输入输出端的电压相位会反向，保持电荷放大器输出电压和输入电荷成比例放大。
因为电路电阻的不完全匹配等问题，电路放大倍数并不十分准确，通过调节该电路对电压进行两级放大和补偿校准，如图-6电路所示，调节电位器1R ，可以使输出电压在增益0~10倍之间任意变化。
同时通过输出端的双限稳压管，防止输出电压超出后续接入的PXI 系统输入电压上下限。
起到保护数据采集卡的作用。
图-6 反相放大电路
总仿真电路图如图-7所示，仿真结果如图-8所示，结果分析如图-9所示。
图-7总仿真电路图
图-8 最终仿真结果
表-2 最终仿真数据分析
四：数据采集
本设计采用基于PXI采集卡进行采集，软件用Labview进行编程，程序如图-9所示。
图-9 采集程序。