如何使用电荷放大器处理压电加速度计输出

在本文中，我们将介绍通常用于将压电传感器的电荷输出转换为可用电压信号的电荷放大器。

压电加速度计的背景

使用压电元件，压电加速度计产生与施加的加速度成比例的电荷输出。电荷输出是一种难以测量的信号类型，因为它会随着时间的推移通过漏电阻逐渐减小。

此外，压电加速度计中使用的典型传感元件，这些传感器产生的少量电荷在每牛顿几十或几百皮库仑的范围内。因此，通常需要一个信号调节电路来成功提取加速度信息，而不会耗散任何电荷。这需要具有大输入阻抗的放大级，以防止产生的电荷通过与传感元件并联的放大器的输入阻抗泄漏。

事实上，虽然压电效应是 1880 年由 Pierre 和 Jacques Curie 发现的，但由于缺乏具有足够高输入阻抗的放大器，直到 1950 年代它才具有实际用途。电荷放大器是处理压电传感器输出时的首选技术。电荷放大器将传感器产生的电荷转换为可用的电压信号。

文章“了解和实现压电传感器系统的电荷放大器”和“如何设计压电传感器的电荷放大器”很好地介绍了电荷放大器的基础知识。

下面，我们将简要概述基本概念以及一些额外的细节。

压电传感器等效电路

首先，图 1 显示了两个可用于模拟压电传感器的等效电路。

图 1. 压电传感器的两个示例电路模型 （a） （b） 及其原理图符号 （c）。

电荷放大器配置—查找输出电压

电荷放大器的基本配置如图 2 所示。

图 2. 显示传感器内电荷放大器配置的示意图。

使用电荷放大器的主要优点

使用电荷放大器，传感器两端的电压理想地为零。因此，任何与传感器并联的绝缘电阻（例如电缆的绝缘电阻或传感器的漏电阻 Rp）都不会有电流流过。因此，传感器产生的电荷不会消散。此外，输出电压只是反馈电容的函数，因此传感器和电缆电容不能改变电路的增益。

电荷放大器时间常数参数—反馈电阻

反馈电阻 R F为放大器的反相输入提供直流路径，并设置该节点的直流电压。但是，添加此电阻器会限制测量直流（或极低频）加速度信号时的精度。

正如我们上面所讨论的，传感器产生的电荷通过电荷放大器操作转移到反馈电容器。该电荷可以通过与 C F并联的反馈电阻逐渐泄漏。

事实上，放大器的准静态行为是由时间常数参数决定的：

在电荷放大器的背景下，准静态（或接近静态）行为是指在相对较长的时间内保持恒定的信号的测量。对于测量极低频信号，时间常数应最大化。

为了更好地理解时间常数参数对我们测量的影响，请考虑图 3 中所示的波形。

图 3.输出电荷放大器（底部）和传感器信号（顶部）波形。图片由奇石乐提供。

在该图中，顶部波形显示了传感器产生的电荷，而底部波形显示了电荷放大器的输出。在此示例中，假设充电波形具有固定的 DC 值以及一些高频分量。输入的高频分量按预期出现在输出端。然而，最初接近输入直流值的输出直流值逐渐接近零伏。这种趋势是由于存储在 C F 中的静电荷通过R F泄漏的事实。

如您所见，经过一个时间间隔ττ，输出的直流值降低到其初始值的 37%。对于某些类型的电荷放大器，可以在不同的反馈电阻值之间切换，以根据加速度信号的低频成分调整时间常数参数。

带复位开关的电荷放大器

或者，一些电荷放大器包含一个复位开关而不是一个反馈电阻，如图 4 所示，它为我们提供了最大时间常数值。

图 4. 使用复位开关和传感器配置的电荷放大器示意图。

在进行测量之前，打开开关以对反馈电容放电并设置运算放大器反相输入的直流电压。然后，关闭开关以开始测量阶段，如图 5 所示。

图 5. 电荷放大器的电路操作。图片由奇石乐提供

同样，上面的曲线显示了传感器产生的电荷，下面的曲线描绘了电荷放大器的输出。请注意，当开关打开时，输出为零。结果，复位开关也为后续测量固定了零点。

虽然结合复位开关使时间常数最大化，但它使电路容易出现漂移现象。漂移是指电荷放大器输出在一段时间内发生的变化，不是由被测物理参数的变化引起的（我们讨论中的加速度）。漂移是由几种不同的非理想效应引起的，例如运算放大器的输入偏置电流和失调电压。

为了进一步讨论，应更详细地评估反馈电阻器对放大器低频响应和漂移行为的影响。