煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院

28三月2024煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。RaQCcRiCiCa(a)電荷源等效電路傳感器電纜線運(yùn)算放大器前置放大器的作用：實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、適當(dāng)放大

=R

C

Ri

C時(shí)間常數(shù)大則放電速度慢，要求放大器的輸入電阻Ri大，所以前置放大為高輸入阻抗低輸出阻抗。然后還要用一般放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄儀器。1.電壓放大器

電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。電壓放大器的簡(jiǎn)化電路圖為：電壓放大電路CaRaQCcRiCiAuiuo電壓放大電路CaRaQCcRiCiAuiuoRQCAuiuo設(shè)作用于壓電晶片上的力F=Fmsin

t，所產(chǎn)生的電荷（電流）及電壓均按正弦規(guī)律變化，亦則：

Q=dc

F=dc

Fmsin

t，其中，R=Ra//Ri，C=Ca+Cc

+Ci

RQCAuiuoiFF向量表示電壓幅值比和相角頻率比的關(guān)系曲線1、w=0時(shí)，輸出電壓為0，意味著電荷完全被泄漏，壓電式傳感器(后接電壓放大器)不能測(cè)量靜態(tài)量；2、wt<3，則輸出與輸入關(guān)系不是線性關(guān)系；（受t的影響較大）3、wt>3，輸出電壓與輸入信號(hào)（被測(cè)力）的頻率大小無關(guān)，輸出與輸入完全的線性正比關(guān)系A(chǔ)(w)=1，f(w)=0即無相位滯后。t=RCR↑C↑均使t↑但是wc=3/t，t↑才能擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。C↑使輸出電壓值減小，即靈敏度下降，不宜采取C↑的方法。電壓靈敏度R↑是唯一的途徑！！wt>3時(shí)，A(w)=1高輸入阻抗可見輸出受到連接導(dǎo)線電容值的影響，注意：①導(dǎo)線不宜太長(zhǎng)；②導(dǎo)線（標(biāo)定后）不能隨意更換。這是電壓放大器的致命的弱點(diǎn)！C=Ca+Cc

+Ci，由此式可以看出：輸出電壓的大小受到C的影響，而CaRaQCcRiCiAuiuo優(yōu)點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：測(cè)試精度受導(dǎo)線（電纜）電容的影響。近些年來固態(tài)電子元器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大器可以與傳感器做成一體（集成化），電壓放大器的缺點(diǎn)能得以克服，電壓放大器并不需要低噪聲電纜，具有較好的發(fā)展前景。解決干擾的有效措施就是采用與傳感器一體化的超小型阻抗變換器，下圖就是兩個(gè)典型的電路圖。由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度受電纜分布電容的影響，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。重點(diǎn)掌握2.電荷放大器電荷放大器是一個(gè)高增益帶深度電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，其輸入阻抗極高（1012

以上）。CaRa電荷放大電路QCcRiCiKuiuoCf傳感器電纜運(yùn)算放大器反饋電阻哪去了？CaQCcCiKuiuoCfQCKuiuo等效電路：（輸入阻抗為無窮大，Ra很大）CfC=Ca+Cc

+Ci

QCKuiuoCfC=Ca+Cc

+Ci

K值很大，一般K=104~106，上式為：在此式中，輸出電壓與C值無關(guān)，只有Cf，也就是說，電纜電容并無影響，連接導(dǎo)線有時(shí)長(zhǎng)達(dá)百米（低噪聲電纜，工廠稱為無噪聲電纜）。與電壓放大器比較，這是一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，但是，電荷放大電路復(fù)雜，價(jià)格較高。C=Ca+Cc

+Ci

Cf——反饋電容與輸入信號(hào)反相定義：靈敏度

上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外力成正比，與反饋電容成反比，而與Ca、Cc和Ci無關(guān)。電纜分布電容變化不會(huì)影響傳感器靈敏度及測(cè)量結(jié)果是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻Rf（約1010~1014

）。見下頁(yè)圖QCKuiuoCfCaRa電荷放大電路qCcRiCi-AuiuoCf傳感器電纜運(yùn)算放大器Rf電荷放大器輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q，輸出與輸入反相，且輸出不受電纜電容的影響，這是在開環(huán)增益K足夠大的情況下的一種近似，實(shí)際當(dāng)導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生一定的影響，由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差為P126所示。由誤差式可以看出，CF↑，K↑可以減小誤差。高、低頻限電荷放大器的高頻上限主要取決于壓電器件的Ca和電纜的Cc與Rc由于Ca、Cc、Rc均較小，所以可測(cè)信號(hào)的上限頻率很高，一般為180KHz。

電荷放大器的低頻下限，由于開環(huán)放大倍數(shù)很大，因此只取決于反饋回路參數(shù)RF、CF低頻下限頻率與電纜電容無關(guān)，由于運(yùn)算放大器的時(shí)間常數(shù)RF

CF可做得很大，因此電荷放大器的低頻下限可低達(dá)10-1~10-4KHz（準(zhǔn)靜態(tài)）電荷放大器與電壓放大器比較優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，這就是它得以廣泛應(yīng)用的原因所在。教材介紹0.3Hz電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時(shí)宜綜合考慮。電荷放大器電壓