可增強壓電加速計的電流儀表放大器

典型的壓電傳感器包含一片PZT-5A陶瓷材料的圓盤，在其表面有金屬化電極。把導(dǎo)電環(huán)氧樹脂涂到電極上，就可把外部導(dǎo)線連到傳感器。絕緣粘合劑把組件連到待測結(jié)構(gòu)，并把傳感器和接地參考電位隔離開。圓盤面朝預(yù)期加速方向。把壓電圓盤安裝在目標結(jié)構(gòu)上后，它可產(chǎn)生與盤的極化方向平行作用的力成正比的電壓，由此充當簡單的力敏傳感器兼加速計。壓電圓盤的電容性阻抗在低頻時呈現(xiàn)很大的電抗，使圓盤及其接線易受周圍電氣設(shè)備和電源線產(chǎn)生的干擾影響。把傳感器放在偏遠位置，就需要屏蔽式互聯(lián)電纜，但即使是采取了屏蔽，在消除共模信號方面也不是完全有效，這是因為在圓盤的導(dǎo)電面仍然會發(fā)生噪聲拾取。

　　一種提取傳感器信號的方法是采用儀表放大器，它只放大傳感器產(chǎn)生的電位，并抑制在傳感器各端子出現(xiàn)的共模耦合噪聲電位。

　　典型的微型壓電圓盤傳感器的直徑是0.125英寸，厚0.0075英寸，呈現(xiàn)的電容量約為500pF。如果測量應(yīng)用需要對10Hz或低于10Hz的力激勵頻率作出動態(tài)響應(yīng)，則傳感器的輸出電抗范圍達到數(shù)十MΩ。該電路的印制電路板絕緣基板和環(huán)境濕氣對放大器的輸入電阻造成了約為10MΩ的實際限制。

　　必須仔細選擇絕緣材料
并應(yīng)用保護電位，并且必須使用具有PA級輸入偏置電流的放大器。否則，傳感器的電容和放大器的輸入偏置電流電阻器會在施加到儀表放大器的信號上造成相移。為了做到無需保護和精心制作滿足要求的絕緣，圖1中的電路使用的儀表放大器帶有反饋，以便測量傳感器的短路電流而不是其開路電壓。傳感器和信號接地之間的共模電壓(VCM)來自附近的噪聲源，而后者又來自雜散電容耦合。以下公式把傳感器的輸出電流i和它的開路輸出電壓ES關(guān)聯(lián)起來：

　　其中A代表IC1的電壓增益，圖1中的R=R1=R2。電阻器R1和R2為IC1（INA121儀表放大器）提供反饋和輸入偏置電流返回路徑，而電阻器RG設(shè)定放大器的增益。INA121的 0.5pA輸入偏置偏移電流在其10MΩ反饋電阻器兩端產(chǎn)生5mV電壓偏移。放大器增益為 500時，IC1的輸出偏移等于2.5 mV。放大器IC2為TL081型，提供單位增益信號反相。

　　如果2A+1>>2RjwCS，則i≈jwCSES，放大器IC1的輸入電壓VI消失，這是因為放大器的輸入端充當了傳感器兩端的實際短路。把由儀表放大器和反相放大器的輸出、兩個反饋電阻器以及儀表放大器的輸入端子（其電位差為零）組成的環(huán)路周圍的電壓求和，得eO=jwRCES，其中eO代表IC1的輸出，也是IC2輸出的負值。

　　基于運算放大器的積分器IC3在其輸出端為ES提供值，即下式中的E'。

　　對于圖1中的元件值，IC1提供的增益為500。電阻器R1和R2等于10 MΩ，壓電傳感器的電容測量值為500pF。對于最高頻率10Hz，總量2RwCS=0.62A+1=501，并且傳感器的輸出ES 以E'的形式出現(xiàn)，沒有相位誤差。該電路能測量準靜態(tài)力變化。它在C1上保持電荷的能力對電路的頻率響應(yīng)造成了最終限制。