压电传感器的信号调节——TI.pdf

压电传感器的信号调节 作者：Eduardo Bartolome，德州仪器 (TI) 医疗事业部系统工程师 压电传感器 用于感应和激励的压电传感器应用延伸到了许多领域。本文主要介绍对一些物理 强度的感应，即加速度、振动、振荡和压力，从传感器及其要求信号调节的角度 1 来看其可以被认为是类似的。 就加速度而言，传感器灵敏度通常被表示为一个 与外力即加速度（大多数时候称作重力加速度 g ）成比例关系的电荷。然而，从 严格物理意义上来讲，传感器输出一个实际由其变形/偏斜情况决定的电荷。 例如，图 1 显示了安装于顶部位置的一个传感器，与此同时底部正受到一个外 力的拉拽，即 Fext 。在使用加速计的情况下，固定端（顶部）会粘附在要测量加 速度的物体上，同时外力为粘附于另一端（底部）的质量的惯性，而这一端不断 想要保持静止。就固定于顶端的参考坐标系而言（假设传感器充当的是一个弹簧， 其具有很高的弹簧系数 K ），偏斜 x 会形成一种反作用力： Fint = Kx (1) 最终，质量（传感器偏斜）将会在下列情况下停止移动/改变： Fint = Fext = Kx (2) 图 1 加速度力作用下的传感器 由于电荷 Q 与偏斜成比例关系（一阶），而偏斜与力成比例关系，因此 Q 与力 也成比例关系。施加一个 Fmax 最大值的正弦力，会形成一个 Qmax 最大值的正 弦电荷。换句话说，当正弦力为最大值时，对来自传感器的电流求积分可得到 Qmax 。增加正弦波的频率，同时会增加电流；但是会更快地达到峰值，即保持积 分 (Qmax) 恒定。厂商会以传感器可用频率范围内 Qmax 与 Fmax 的比率，来说明 灵敏度规范。但是，由于传感器的机械性质，传感器实际上有谐振频率（可用频 率范围以上），其中一个即使很小的振荡力都会产生相对较大的偏转，从而得到 较大的输出振幅。 如果忽略谐振的影响，则我们可以将压电传感器一阶建模为一个与传感器寄生电 容（此处称作 Cd d ）并联的电流源，或者也可以将其建模为一个与 C 串联的电 压源。该电压为存储电荷时在传感器阳极上看到的等效电压。但是，我们需要注 意的是，就许多应用的仿真而言，第二种方法要更加简单一些。如前所述，电流 与偏斜变化的速率成比例关系；例如，拿恒幅加速度的正弦 AC 曲线来说，电 流生成器的振幅必须根据频率来改变。 最后，如果这种生成器需要代表实际物理信号，则可以使用变压器，如图 2 所 示。本例中，我们建模了一个具有 0.5 pC/g 灵敏度和 500 pF 寄生电容的生成 器。正弦波生成器每单位 g 输出 1V ，以实现仿真。变压器在其次级线圈将它 向下调节至 1mV 。施加给 C1 （500 pF）的 1-mV 摆动，将会如我们预计的那 样在下一级注入 Q = VC = 0.5 pC 。 图 2 压电传感器模型 电荷放大器分析 图 3 显示了经典电荷放大器的基本原理，其可以用作一个信号调节电路。这种 情况下，我们选择电流源模型，表明传感器主要为一种带高输出阻抗的器件。 输入阻抗 信号调节电路必须具有非低的输入阻抗，以收集传感器的大部分电荷输出。因此， 电荷放大器是理想的解决方案，因为只要放大器在这些信号频率下保持高增益， 其输入便会让传感器信号出现虚拟接地。换句话说，如果传感器的任何电荷想要 在传感器阳极 (C