電流型儀表放大器提升壓電加速度計性能

　　電路抑制由壓電傳感器及其電纜產(chǎn)生的容性耦合噪聲。

　　一個典型的壓電傳感器由表面上金屬化電極的PZT-5A陶瓷材料組成。在電極處使用導(dǎo)電環(huán)氧將傳感器連接到外部電纜。絕緣膠粘合裝置元件到待測結(jié)構(gòu)上，使傳感器與接地參考電位隔離。壓電片面向預(yù)期加速度的方向。當(dāng)安放在目標(biāo)結(jié)構(gòu)上時，壓電片成為簡單的壓力傳感器和加速度計，產(chǎn)生正比于壓力且平行于壓電片極化方向的電壓。壓電片容性阻抗在低頻時呈現(xiàn)很大的電抗，使壓電片和電纜易受周圍電氣設(shè)備和電源線的干擾。傳感器遠(yuǎn)距離安放時，需要使用屏蔽的互連電纜，但即使屏蔽，對去除共模信號也不是完全有效，因為壓電片的導(dǎo)電表面仍會獲取噪聲。

　　提取傳感器信號的一個方法是使用儀表放大器，它只放大傳感器所產(chǎn)生的電位。放大器抑制出現(xiàn)在傳感器各端的共模耦合噪聲電位。

　　典型的微型壓電片傳感器直徑0.125英寸，0.0075英寸厚，相當(dāng)于幾乎500 pF的電容。如果測量應(yīng)用需要限制激勵頻率在10Hz或更低的動態(tài)響應(yīng)，傳感器輸出電抗可達(dá)到10幾MΩ的范圍。電路印制板的絕緣層和周圍濕度使放大器輸入阻抗有幾乎10 MΩ的實際限制。

　　必須謹(jǐn)慎選擇絕緣方法和使用保護(hù)電位，必須使用輸入偏置電流為微微安級的放大器。否則，傳感器電容和放大器的輸入偏置電流電阻，對儀表放大器的信號施加相位偏移。為消除保護(hù)和復(fù)雜的絕緣需要，圖1電路使用帶反饋的儀表放大器，測量傳感器短路電流，而不是開路電壓。傳感器和信號地之間的共模電壓VCM來自周圍雜散電容耦合帶來的噪聲源。下面的公式描述了傳感器輸出電流i和其開路輸出電壓ES的關(guān)系：

　　圖1中，A代表IC1的電壓增益，R=R1=R2。電阻R1和R2為IC1(INA121儀表放大器)提供反饋和輸入偏置電流回路，電阻RG設(shè)置放大器增益。INA121的輸入偏置電流為0.5pA，在10MΩ反饋電阻上產(chǎn)生5μV電壓偏置。放大器增益為500倍時，IC1輸出偏置達(dá)到2.5 mV。放大器IC2 TL081提供單位增益的信號極性變換。

　　如果2A+1>>2RjωCS，則i≈jωCSES。放大器IC1輸入電壓V1變?yōu)榱?，因為放大器輸入終端通過傳感器起虛短電路的作用。取儀表放大器和反相放大器輸出、兩個反饋電阻和儀表放大器輸入端子構(gòu)成回路的電壓和(其電位差為零)，得到eO=jωRCES，其中eO表示IC1的輸出，也是IC2輸出的負(fù)值。

　　在下面的公式中，用運算放大器做的積分器IC3給出在IC3輸出的ES。

　　圖1中的元器件值，IC1提供500倍增益。電阻R1和R2為10 MΩ，壓電傳感器的電容為500 pF。對最高頻率10Hz，量值為2RωCS=0.6<<2A+1=501和傳感器輸出ES，也沒有相位誤差E'。電路能測量準(zhǔn)靜態(tài)壓力的改變;電路能維持C1上的電荷，從而對電路頻率響應(yīng)構(gòu)成限制。