改进压电传感器频率响应特性措施

摘要：压电传感器的高频响应特性很好，但其低频响应特性较差，本文分析了压电传感器的高频响应特性，讨论了采用电压放大器和电荷放大器的低频响应特性，并提出了改进低频响应特性的方法。

关键词：压电传感器；频率响应特；性电压放大器；电荷放大器

压电式传感器的突出特点是具有很好的高频响应特性，且其体积小，质量轻，频带宽，测量范围及使用温度范围宽，因此广泛地应用于测量动态力、压力、加速度、振动和冲击等。

但压电传感器低频响应特性较差，其上限响应频率取决于机械部分的固有频率，下限响应频率取决于压电晶片本身以及所使用的放大器，提高压电传感器的低频响应特性是提高其测量精度的关键技术。

高频响应特性

高频响应特性主要取决于机械部分的固有频率。机械部分是一个质量-弹簧-阻尼二阶系统，感受加速度时质量块相对于传感器基座的位移幅频特性为：

（1）

式中：
ω为被测加速度的变化频率；
ω_n为机械部分的固有频率；

ξ为阻尼。

由式（1）可以看出，当加速度的变化频率ω_n远小于机械部分的固有频率ω_n时，传感器的幅频特性曲线大致为常数，基本上不随ω_n变化。但是由于压电晶片的低频响应特性较差，当加速度的频率过低时，不但传感器的灵敏度会减小，而且会随频率不同而变化，增加质量块的质量可以提高低频响应特性，但会使得机械部分的固有频率下降，影响高频响应特性。

在实际应用中，为获得最佳的高频响应特性需配置合理的阻尼比，常选用ξ=0.707，称为最佳阻尼。而被测加速度的频率与机械固有频率的比值一般要取小于0.7，其比值越小，高频响应特性越好。但也不能太小，否则会影响测试灵敏度，一般要选用大于0.05。高频响应特性好是压电传感器的突出优点，其测量上限频率可达几百kHz以上。

低频响应特性分析及提高方法

压电传感器的下限响应频率主要取决于所使用的前置放大器，压电传感器使用两种前置放大器，即电压放大器和电荷放大器。

采用电压放大器
电压放大器又称阻抗变换器，其主要作用是把压电器件的高输出阻抗变为低输出阻抗，并对传感器的输出信号进行放大。采用电压放大器时的幅频特性为：

(2)

式中：
d₃₃为压电传感器的纵向压电常数；
ω为被测加速度的角频率；
R为测量回路等效电阻，
C为测量回路的等效电容。

由式（2）可以看出，幅频特性与被测加速度的角频率有关，而理想情况下幅频特性与ω无关，此时式（2）变为：

(3)

要满足这一条件，需使得ωRC>>1（实际上取大于3即可），定义=RC，为测量回路的时间常数，此值由电路参数决定。当测量回路时间常数τ确定后，被测量频率越高，ωτ的值越大，越接近理想情况，所以压电传感器的高频响应特性很好；若测量频率较低时，幅频特性曲线将偏离理想情况，带来动态误差。所以要保证低频工作时满足一定的精度，必须增大时间常数τ。这里推荐两种改进方法，一是提高电路的等效电容，但由式（3）可知，等效电容增加会使传感器的灵敏度降低。最好的方法是提高电路的等效电阻R，可以通过增加输入级来提高电路的输入阻抗，电路结构如图1所示。

图1 提高电压放大器输入阻抗电路图

图1中，电路第1级为MOS场效应源输出器，第2级采用PNP三极管构成对输入的负反馈，以进一步提高输入阻抗，降低输出阻抗，采用两只二级管做过载保护，并有一定的温度补偿作用。采用这种电路可大大提高电路的输入阻抗，输入阻抗可达2000MΩ，输出阻抗降为100Ω，电路的输入阻抗增加使得传感器的低频响应特性改善，动态误差减小。在实际应用中，要根据给定的测量精度来选择电压放大器的输入阻抗和测量的频率范围。

采用电荷放大器
采用电压放大器时，输出电压灵敏度受电缆分布电容的影响，当电缆的长度改变时要对传感器灵敏度重新进行标定，且使用不方便，而采用电荷放大器可有效解决这一问题。电荷放大器电路如图2所示。

图2 电荷放大器电路示意图

图中：Q为压电传感器等效电荷源，R_a为传感器等效内阻，C_a为传感器等效电容，C_c为电缆分布电容，R_i为电路输入阻抗，Ci为电路输入电容，C_f为反馈电容，Rf为反馈电阻。

此电荷放大器的输出特性方程为：

（4）

式（4）中U_o只与反馈电容C_f有关，与电缆电容C_c无关，即使用中不受电缆长度影响，且整个电路的线性较好。反馈电阻R_f起到直流负反馈的作用，同时能减小零飘，提高工作稳定性。

电荷放大器的频率上限取决于压电器件的等效电容C_a、电缆的分布电容C_c和电缆的电阻R_c，且与其成反比关系。由于它们的值较小，频率上限的值可高达180kHz，高频响应特性好是压电传感器的最大优势。电荷放大器的频率下限由反馈电容C_f和R_f反馈电阻决定，其值为：

(5)

要想提高压电传感器的低频响应特性，就要提高电路的时间常数τ(C_fR_f)的值。由于运算放大器的时间常数C_fR_f的值可以做得很大，所以采用电荷放大器时，可测量的低频下限值可以很低，能达到10^-1_—10^-4Hz，称之为准静态测量。由此得出的结论是采用压电传感器与电荷放大器进行匹配时，低频响应特性也很好，采用电荷放大器进行测量时的优点是明显的，与电压放大器相比，缺点是线路比较复杂，成本较高。