压电、压阻、ICP传感器适配电路的计算或仿真.doc

1、I压电、压阻、ICP 传感器适配电路的计算或仿真摘 要传感器技术是当今世界迅猛发展的高新技术之一，它与计算机技术、通讯技术共同构成本世纪信息产业的三大支柱技术，备受世界各发达国家的高度重视，必将作为本世纪重点技术加以发展。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，涉及到检测原理、材料科学和工艺加工 3 个主要影响因素。传感器技术作为国家综合科研水平的代表，而传感器技术的具体应用是传感器技术成果转化的重要途径和方法。本文主要研究压电式、压阻式、ICP 式传感器，结合各自的工作原理和性能特点，有电荷、电压放大器、恒流源适配电路，对压电式和电荷放大器、压阻式和电压放大器、ICP 和恒流

2、源的计算和方针。关键词 压电式传感器，压阻式传感器，ICP 传感器第 2 页 共 35 页Simulation or calculating of the right circuit to sensorSummary The sensor technology is one of the rapid developmental technology in nowadays, it and com- puter technology, communication technology form three major pillar technology of the infor-mation i

3、ndustry in this century together, paid close attention by every developed country of the world , will develop as the key technology in this century.The sensor technology is a application technology making of various function materials to measure information involve 3 main influence factors :measurin

4、g the principle, material science and machining as the representatives of national comprehensive scientific research levels, the concrete application of sensor is important route and method that the technological of the sensor transforms the text most research piezoelectricity sensor, pressure senso

5、r, ICP sensor combine their own perating principles and characteristic , simulation or calculating the circuitry of piezoelectricity sensor and electric charge amplifier, pressure sensor and voltage amplifier, ICP sensor and constant source, apprehend bandwidth and system function of every circuit .

6、Keywords piezoelectricity sensor, pressure sensor, ICP sensor1 绪论1.1 课题背景随着科学技术的迅猛发展，传感器技术已越来越广泛地应用于机械制造、交通运输、石油化工、医疗卫生等领域。而且也正逐步渗透到人们的日常生活中去。可以说，传感器技术水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志 1。传感器应用于各个学科领域。具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用信号的元器件或装第 3 页 共 35 页置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换。一切准确的

7、测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息或有失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。 传感器技术所涉及的知识非常广泛，涵盖各个学科领域，但是它们的共性是利用物质的物理、化学和生物等特性，将非电量转化为电量。所以，采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转化效能，是总的发展途径。当前，传感器技术的主要发展方向，一是传感器本身的基础研究；二是和微处理器组合在一起的传感器系统的研究，前者是研究新的传感器材料和工艺，发展新现象；后者是研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展。 随着振动试验在产品可靠性领域的推广，振动测量的应用显得越

8、来越重要。压电式传感器测量电路是控制技术领域中非电量的测量，是振动与冲击测量中最重要组成部分。压电式传感器内无可动部件, 具有频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。特别是随着电子技术的飞跃发展,与之配套的二次仪表以及低噪声、高绝缘电阻、小电容量的电缆出现, 压电式传感器获得了广泛的应用。压电式传感器可以看作一个能产生电荷的高内阻发电元件，但其产生的电荷量很小，因此不能用一般的测量电路来进行测量,必须用与之相配套的测量电路 2。而电荷放大器作为连接振动传感器与信号分析仪之间的关键器件，是不可缺少的一个环节。电荷放大器可以用于电子、航空航天、船舶等重要工业，同时也是教学科研

9、不可缺少的重要器件。传感器广泛应用于生产和生活的各个方面，而压阻式传感器以其优越的性能成为现代测试领域的主角。在煤矿安全生产中，更需要传感器全面监测各种参数。如：瓦斯监测、一氧化碳监测、二氧化碳监测、矿井压力监测、采煤机工作情况、皮带运输机的运转情况等 3。在复杂机械系统状态识别和故障诊断中，数据采集及动态测试系统是其中的一个重要环节。首先必须对系统中的一些振动、噪声等模拟信号进行采集，然后转换成数字量，由计算机进行存储、处理、显示或打印。以测量振动信号为例，振动信号通过加速度传感器获取后送到模拟输入信号调理模块，通过调理模块把振动信号调理成标准电压信号(5V)，再送到 A/D 采集电路中将其

10、转换成数字量信号，然后由计算机进行处理，最后进行标度变换，即将数字量转换为振动的工程单位(EU)。目前，测量振第 4 页 共 35 页动信号一般用压电式加速度传感器，但是这种加速度传感器必须通过电荷放大器为其供电，并将信号放大、调理成标准信号。由于此连接方式对导线的阻抗以及晃动等要求很苛刻 4。而且很容易受现场干扰。故现在有采用 ICP 传感器的趋势。ICP(IntegratedCircutPiezoelectric)是一种新型的加速度传感器。它采用现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，所有高阻抗电路都密封在传感器内，并以低阻抗电压方式输出。输出电压幅值与加速度成正比。ICP 传感器

11、的优点的在于：1 不需要联结电荷放大器，使用方便、灵活特别适用于现场测试及在线监测。2 精度高，不易受现场干扰，由于 ICP 传感器输出的就是放大的信号，所以干扰对其影响小，信噪比高。即使在恶劣的工厂环境下，也可以利用 ICP 传感器。普通的同轴电缆对电压信号进行远距离的传输，故 ICP 传感器被广泛应用。随着科学技术的发展，传感器应用越来越广泛，新型传感器尤为突出。它们虽各有千秋，但也各有不足之处，需要连接各自的适配电路 5。如：压电式传感器虽在高频振动的测试中有优越之处，但它的阻抗高，给二次仪表带来困难，而电荷放大器可以解决这个问题；压阻式传感器具有灵敏度高、稳定性好、迟滞和重复性小等优点

12、。但是压阻元件的压阻系数通常具有较大的负温度系数，会带来测量误差，在此情况下，电压放大器应运而生；在压电加速度传感器测试系统中，ICP 测试系统代表了当今的技术发展趋势，可以广泛应用在各种要求的监控测量领域。典型的测试系统含有一个ICP 传感器，通用双传输电缆和基本的恒流源。所有 ICP 传感器都要求一个适当的恒流供电电源。本课题主要研究压电式、压阻式、ICP 式传感器和各自相应的适配电路，并简单研究各个适配电路的性能。1.2 传感器发展现状因为压电石英传感器有一些独特的优点,所以国内外生产压电传感器的厂家,除加速度传感器有的采用压电陶瓷外,力和压力传感器大都选用石英晶体,像瑞士 Kistle

13、r 公司、奥地利 AVL 公司、国内江西传感器厂、上海测试技术研究所等单位,生产的压电式传感器全部选用石英晶体 6。我国先后研制出 YT-01 型岩体应力传感器、YTQ-1000 型应力传感器、DY 型多用途传感器、廉价岩石应力传感器等。其中有的成果经过专家鉴定,认为达到了国内先进水平,有些指标达到国外先进水平。固态压阻传感器在我国是七十年代初期开始研制的。最早从事研制工作的有电子第 5 页 共 35 页部所 1413、科学院半导体所、北京航空学院、南京航空学院、五机部 625 所、618 所和宝鸡秦岭晶体管厂等。1977 年秦岭晶体管厂研制出我国第一批高精度、高性能的固态压阻传感器,并于当年

14、在全国第一家通过生产鉴定,1984 年获得的电子部优质产品,成为该厂的主要产品,其产量产值约占全国同类产品的三分之二以上。宝鸡秦岭晶体管厂是国内唯一的固态压阻传感器专业化生产厂家,该厂生产的CYG 型固态压阻压力传感器具有高精度、高频响、高输出信号和高可靠性等优点。体积小、重量轻可作为测量换能器件,能广泛应用于石油、机械动力、气象地质、生物医学工程以及航天、航空、航海等领域。秦岭晶体管厂生产普通型固态压阻传感器产品,其中 CYG02、19、20 系列为各种差压传感器；CYG20 系列为微差压传感器，量程低至 15mm 水柱,分辨率优于 0.01mm水柱；CYG03 系列为机载传感器,它与 SS

15、Y 水深仪配套,可用于水库、水坝、地下水探测及地球物理探侧；CYG05 系列为中压传感器，CYG30 系列为高压传感器。压电加速度传感器可在-269C+750 的范围内使用 7，目前大多数厂家生产的传感器的最低截止频率已由原来的 5 Hz10Hz 向着 1Hz 以下发展，可见现在压电加速度传感器技术正向着低频测量领域延伸。瑞士奇石乐(Kistler)公司生产的压电加速度传感器的最低响应频率接近于零；已有 40 多年生产经验的美国恩德福克公司(Endevco)的22 型压电式加速度传感器重量仅 0.14g。目前有很多厂家生产一种内装微型 IC 集成电路放大器的压电加速度传感器，即ICP 测试系统

16、 (低阻输出集成型压电传感器 )。它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统。但它的主要缺点是：量程窄、温度适应性差(-40C+120C)。在很多场合下仍首选电荷放大器作为传感器二次仪表，而且电荷放大器的独立使用使得电荷测量系统有一个高的灵活性。第 6 页 共 35 页2 压电式、压阻式、ICP 型传感器及其适配电路原理2.1 传感器原理及特性2.1.1压电式传感器及特性1 压电式传感器的工作原理某些电介质在一定方向施加作用力时，在其表面会产生电荷，此种现象称为压电效应。压电效应是材料受到应力作用时所产生的电极化现象，是一种可逆效应。利用第 7

17、页 共 35 页此压电效应做成的传感器称为压电式传感器。压电式传感器可以看作电荷发生器，也可以看做一个电容器，如下图所示，其电容量为 （式 2.1） AC0图 2.1 压电式传感器的模型式 2.1 中： 压电式材料的相对介电常数，石英晶体 =4.5,钛酸钡 =1200； 真空介电常数， =8.85 ；00mF12极板间距离；A 极板面积。在图 2.1 中压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀形成金属膜，构成两个电极，F 为施加在晶片上的外力。实验已证明压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴 x-x 方向加力 F，则在垂直于 x-x 方向的压电体表面上积聚的电荷量为 q，即有（式dQc2.

18、2） 式 2.2 中：Q 电荷量；dc压电常数，与材料和切片方向有关；F作用力。第 8 页 共 35 页当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容 Cc,后续电路的输入阻抗和传感器中电阻就形成泄漏电阻 R0，等效电路如图 2.2 所示。图 2.2 传感器等效电路图 根据电荷平衡，建立的方程式为（式idtuCQ2.3）式 2.3 中：Q压电元件在外力作用下产生的电荷量；C电容， 其中,C a 为压电元件电容，C c 为电缆电容，icaCi 为外接电路的输入端电容；u电容上建立的电压；i泄露电流， 0Rui（式 2.3）可写为 （式FdtcC2.4） 也可写为 （式i

19、dtc0R2.5）压电式传感器的传递函数 H(s),对方程（2.5）两边进行拉氏变换，即第 9 页 共 35 页（式)()(L0SFdsiCRtLcO2.6）则其传递函数 H(s)为 (式 2.7)SCRdc1F()isH0对（式 2.7）进行归一化处理，令 ，则压电式传感器的频率响应函数 为 c )H(j(式 2.8)j1CR)H(j0其幅频特性 为 (式 2.9)A( 2020CR1)(CR)其相频特性 为 （式)(0arctn)(2.10）2压电式传感器的工作特性压电式传感器的传递函数 决定了它的工作特性，这里仅就提高它的频率特性H(s)进行讨论。由（式 2.7）可知，若压电常数 为一个

20、稳定的值，它就是一个稳定的灵敏cd度。压电常数的特性若与作用力的频率有关，则将影响传感器的 、 和 的H(s)A)(特性，不利于对力信号的测试。当工作频率很低时，即 时，其幅频特性曲线趋向于不平稳。这表明压电式0传感器不适用于低频力信号的测试；当工作频率很高并达到 时，由（式1CR02.9）可知， 。若 和 为定值，则 值为一个稳定的值，其特性曲线0CR1)A(0)A(为平坦的直线，这表明在测试高频力信号时，其工作特性是理想的。随着工作频率的第 10 页 共 35 页提高， 值增大，这就更能保证 ，这表明压电式传感器特别适用于高频0CR1CR0力信号和瞬变力信号的测试 810。2.1.2压阻式

21、传感器及特性1压阻式传感器的工作原理 固体受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。压阻式传感器的基本原理可从材料电阻的变化率看出，任何材料电阻的变化率都由下式决定 （ 式slR2.1.1） 对金属而言，上式中的 一项较小，即电阻率的变化率较小，有时可忽略不计，而 两项较大，即尺寸的变化率较大，故金属电阻的变化率主要sl与两项引起的，这就是金属应变片的工作原理。对半导体而言，上式中的与两项很小，即尺寸的变化率较小，可忽略不计，而 一项较大，故半导sl与 体电阻的变化率主要是由 一项引起的，这就是压阻式传感器的基本工作原理 1

22、1。2 压 阻 式 传 感 器 的 工 作 特 性如 果 引 用 式(式 2.12)R式 2.12 中 ， 为 压 阻 系 数 ； 为 应 力 ， 再 引 进 横 向 变 形 的 关 系 ， 则 电 阻 的 相 对 变化 率 可 写 成（ 式 kEEll 21212R2.13）式 2.13 中 ,k 称 为 灵 敏 系 数 ， 。k第 11 页 共 35 页对 金 属 来 讲 ， 有 时 可 忽 略 不 计 ， 而 泊 桑 系 数 =0.250.5，故近似地，有E12。对 半 导 体 做 成 的 压 阻 式 传 感 器 来 讲 ， 一 般 可 忽 略 。 而 压 阻k 1系 数 =（ 4080

23、） ， 弹 性 模 量 ， 故21Nm 2N.67Em（50100）k （式Eky2.14）式 中 ,ky 称 为 半 导 体 材 料 的 灵 敏 系 数 1213。式 2.14 表示，半导体压阻式传感器的灵敏度是金属应变式传感器灵敏度的50100 倍。综上所述，半导体材料电阻变化率 主要是由 引 起 的 ， 这 就 是R半 导 体 的 压 阻 效 应 。2.1.3ICP 型 传 感 器 及 其 特 性1ICP 传 感 器 的 工 作 原 理ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）传感器就是指内置集成电路的压电传感器。典型的 ICP 系统通常采用恒流源供电，

24、供电电缆同时做为信号输出线，输出低阻抗信号。整个系统包括 ICP 传感器，普通的双芯电缆和一个不间断电源，所有的 ICP 系统都需要一个不间断电源为 ICP 传感器提供恒定的电流。2ICP传 感 器 的 工 作 特 性ICP 传感器的输出信号不能直接被 A/D 采集电路获取，必须经恒流源电路为其供电，并将其信号调成标准信号(如5V)。其原理图为：图 2.3 ICP 传感器信号输出原理图恒流源信号输入 信号调理电路 输出第 12 页 共 35 页恒流源电路能在各种使用条件变化的情况下保持输出电流 I0 稳定。这些使用条件主要有负载电阻 RL、输入电压及环境温度 T 的变化，横流电路的示意图及其理

25、想输出特性如下图所示。当负载电阻 RL，及相应的负载端电压 U0 变化时，负载电流 I0 应保持恒定，同样，当输入电压 Ui，及环境温度 T 变化时， I0 也不受影响 1415。图 2.4 恒流电路及输出特性2.2 适配器原理2.2.1电荷放大器1电荷放大器的引入由于压电式传感器的输出信号很微弱,通常先把传感器信号输入到高输入阻抗的前置放大器中。经过阻抗交换，才可用一般的放大检波电路将信号输入到指示仪表或记录器中。压电传感器的压电元件有串联和并联 2 种连接方式，其测量电路的前置放大器也有电压放大器和电荷放大器 2 种器件。测量电路的关键在于高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用：一是将传

26、感器的高阻抗输入变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器；二是用电容板反馈的电荷放大器。为了提高传感器和测量电路的灵敏度，当压电元件串联连接时，前置放大器应配接高输入阻抗的电压放大器，且连接电缆不宜太长。当压电元件并联连接时，前置放大器应配接高增益和高输入阻抗的电荷放大器。由于电压放大器输出电压与连接电缆的电容有关，即随连接电缆的长度不同而变化；而电荷放大器的输出电压与连接电缆的电容无关，而与压电传感器的输出电荷成正比。所以，当压电传感器与测量电路之间的距离较远时，压电传感器的压电元件应I0 I0Ui UL RLU0 横流电路第 13

27、 页 共 35 页并联，测量电路的前置放大器应配接电荷放大器。由于电荷放大器电路的电缆长度变化影响不大，几乎可以忽略不计，故电荷放大器应用日益广泛。2电荷转换的基本原理电荷放大器是一种负反馈放大器，能得到与输入电荷成比例的输出电压。其实，它并不把电荷放大，而是把一个高内阻的电荷源转换成一个低内阻的电压源。下图是电荷放大器的等效电路图：图 2.5 电荷放大器等效电路图电荷放大器中的集成运放采用电容负反馈，对于直流工作点相当于开环，因此零漂很大。为了使工作稳定减小零漂，在反馈电容 CF 的两端并联反馈电阻，形成直流负反馈，以稳定放大器的直流工作点。第 14 页 共 35 页dtqi icaCtC)

28、(0tUCqFdARtUAtCtFFF )(1)()( 000 )(10tdtCRtdtiiit FFFF RUtAcCi 0t在设计电荷放大器各个参数时，运放开环增益 A 和反馈电阻 RF 应尽量大，电缆的电容尽量小。电荷放大器的输出灵敏度调节通常用改变反馈电容CF的大小来实现。反馈电容的值不能太小，否则测试系统中使用的同轴电缆的寄生电容将影响输出灵敏度，且有积分漂移和泄漏现象。反馈电容的值也不能选得太大，否则容易引起自激现象，而且CF增大输出要减小，使信噪比也减小。为提高信噪比，电路设计中可采用两种措施：一是采用高增益放大器；二是采用低噪声电缆，因为电缆受到机械振动自身也可能产生噪声。通常

29、CF取10 -1010 -8F16。反馈电阻RF和反馈电容 CF不仅与误差和灵敏度相关，而且与电荷放大器的下限频率有关。电荷放大器的下限频率 ,电荷放大器的上限频率由运放器的频FLCR21f率决定 1718。为了减小误差，放大器的开环增益A和放大器输入端的等效电阻 R1应尽量取大值，i iFit图 2.6 上图简化后的电荷放大电路等效图第 15 页 共 35 页同时印制电路板要有较高的绝缘电阻率。2.2.2电压放大器1电压放大器的引入压阻式传感器以体积小、灵敏度高、动态响应好等优点广泛的应用于压力、液位等物理量的测量。它是以半导体材料的压阻效应为原理，由于半导体器件的主要特性参数容易受温度的影

30、响，压阻式传感器的扩散电阻温度系数也容易产生零点温度漂移，和灵敏度温度漂移。因此，在实际的应用中，需要对传感器的这种温度漂移进行补偿。对于温度补偿来说，常用的方法是采用惠斯通电桥。由此带来新的问题。因为电桥输出电压正比于电阻的相对变化，而电阻的变化通常是0.01%0.1%量级，所以电桥的输出电压很小。差分放大电路，即消除了零点漂移，又不会引起上面的新问题。差动放大器是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。图 2.7 差动放大器的基本电路R3U0R4Ui2R1 -+N1R2Ui10R3R4Ui2R1 U0R2U

31、i1第 16 页 共 35 页图 2.8 等效电路特点：若 ， 。R21431、 ，即只对差模信号进行放大。duu102、 ，即输出信号中无共模信号成分。差动放大器的特点是差分输入电压被放大，共模输入电压被抑制 19。其中的一种是仪表放大器，代表是INA128。2.2.3恒流源1恒流源的引入ICP 压力传感器由内置金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）微电子放大器组成，用于将高阻抗输入电荷变换为低阻抗输出电压 20。ICP 传感器采用恒流源供电，可以采用长的同轴电缆或者无信号衰减的带状电缆工作。低阻抗电压信号不受静电摩擦、电缆噪声和降低绝缘电阻污染物的影响。ICP 传感器的电源通常采用低

32、成本型的 2427V-DC ，220 mA 恒流源。如下图所示为一种典型的 ICP 传感器系统。一些数据采集系统包括直接为 ICP 传感器供电的恒流电源。第 17 页 共 35 页图 2.8 ICP 传感器系统示意图2恒流源的基本工作原理（1）高频响应大多数 PCB 压电压力传感器可以采用压缩型石英晶体制作一个预加载荷刚性壳体，也可以采用不受约束的电气石晶体。这种类型的传感器具有微秒级的响应时间和数百kHz 的共振频率，最小的过冲或振铃。较小的横膈膜直径确保窄冲击波空间分辨率。高频响应和上升时间可能受到安装口几何形状和相关电子器件的影响。在进行测量之前，对所有的系统元器件进行检查。低频响应采用

33、 ICP 传感器，在进行低频测量时有三个系数必须考虑。这三个系数是：1 压力传感器的放电时间常数特性。2 与信号调节器和读出设备一起使用的交流耦合电路的放电时间常数（如果采用直流耦合，仅需考虑上面的1）3 ICP 信号调节器 2124。3 传感器和适配电路的特性计算及仿真3.1 压电式传感器和电荷放大器3.1.1 电荷放大器1电荷放大器的组成及主要部分的性能电 荷 放 大 器 由 电 荷 变 换 级 、 适 调 级 、 低 通 滤 波 器 、 高 通 滤 波 器 、 末 级 功 放 、 电源 等 组 成 。 电 荷 变 换 级 A1， 采 用 高 输 入 阻 抗 、 低 噪 声 、 低 漂 移

34、 、 宽 带 精 密 运 算 放 大 器 。 反馈 电 容 Cf1 有 101pF、 102pF、 103pF、 104pF 四 档 。 根 据 米 勒 定 理 ， 反 馈 电 容 折 合到 输 入 端 的 有 效 电 容 是 C =（ 1+K） Cf1。 其 中 K 为 A1 开 环 增 益 ， 典 型 值 为120dB， 即 106 倍 。 Cf1 取 100pF 时 C 最 小 约 为 108pF。 假 设 传 感 器 输 入 低 噪 声 电缆 长 度 为 1000 米 ， 则 Cc 为 95000pF25。 假 设 传 感 器 Ca 为 5000pF， 则 CaCcCiC并 联 后 总

35、 电 容 约 为 105pF， 三 者 总 电 容 与 C 相 比 为 105pF/108pF = 1/1000。 换 句 话说 自 身 电 容 5000pF 的 传 感 器 输 出 电 缆 1000 米 ， 折 合 到 反 馈 电 容 也 只 影 响 Cf1 0.1%的第 18 页 共 35 页精 度 ， 而 电 荷 变 换 级 的 输 出 电 压 为 传 感 器 输 出 电 荷 ， 因 此 也 只 影 响 输 出 电 压 0.1%的 精 度 。 电 荷 变 换 级 的 输 出 电 压 为 Q / Cf1， 所 以 当 反 馈 电 容 分 别 为101pF、 102pF、 103pF、 10

36、4pF 时 ,其 输 出 分 别 为10mV/pC、 1mV/pC。 0.1mV/pC。 0.01mV/pC。 2电荷放电器的特性电荷放大器是指用于放大压电器件的电荷信号的放大电路。这类放大电路的信号源的内阻抗极高，同时其电荷信号又很微弱，信号源形成的电流仅为 pA 级，因此要求电荷放大器具有极高的输入电阻和极低的偏置电流，否则当放大器的偏置电流与信号电流相近时，信号可能被偏置电流所淹没，而不能实现正常放大。电 荷 放 大 器 可 配 接压 电 式 传 感 器 。 其 特 点 是 将 机 械 量 转 变 成 与 其 成 正 比 的 微 弱 电 荷 Q， 而 且 输 出 阻抗 Ra 极 高 。

37、电 荷 变 换 级 是 将 电 荷 变 换 为 与 其 成 正 比 的 电 压 ,将 高 输 入 阻 抗 变 为 低输 出 阻 抗 。 Ca 配 接 传 感 器 自 身 电 容 一 般 为 数 千 pF， 1/2 RaCa 决 定 传 感 器 低 频 下 限 。 Cc 传 感 器 输 出 低 噪 声 电 缆 电 容 。 一 般 采 用 的 导 线 值 为 100 300pF/米 。Ci 运 算 放 大 器 A1 输 入 典 型 电 容 值 3pF 。 3电荷放大器理论值和实验值比较（1）理论公式反馈电阻 RF 和反馈电容 CF 不仅与误差和灵敏度相关，而且与电荷放大器的下限频率有关 26。电荷

38、放大器的下限频率 ,电荷放大器的上限频率由放大器FLCR21f的频率决定，所以选择不同的放大器，随之就选定了不同的上限频率。(2)通过实验验证取第一组 RF、C F，为 1K、1uF，理论计算频率值为 1.6,取f1、f2、f3 、f4、f6、f7 、f8、f9、f10 分别为 0.01、0.02、0.04、0.8、3.2、8、16、24、32。当取理论频率值时，增益为 1.12,设理论值增益为 A，则仿真结果A1=0.2A，A2=0.4A，A3=0.5A ，A4=0.6A，A5=0.7A,A6=0.8A,A7=0.9A,A8=1.010A,A9=1.010A,A10=1.011A。第 19

39、页 共 35 页图 3.1 频率增益原理图图 3.2 仿真结果第 20 页 共 35 页图 3.3 输入电压表 3.1 频率增益表通过表格 3.1 可以看出，通过电路的下限截止频率以后，电路的增益基本不变。图 3.4 幅频特性图 1取第二组 RF、C F，为 1K、0.2uF，计算频率值为 8,取f1、f2、f3、f4、f6、f7 、f8、f9、f10 分别为 2、4、6、7、16、24、32、36、40。取理论频率值时，增益为 0.99,设理论增益为 A，则频率 0.01 0.02 0.04 0.8 1.6 3.2 8 16 24 32增益 0.2A 0.4A 0.5A 0.6A 0.7A

40、0.8A 0.9A 1.010A 1.010A 1.011A第 21 页 共 35 页A1=0.1A，A2=0.2A，A3=0.35A ，A4=0.4A，A5=0.7A，A6=0.8A，A7=0.9A，A8=1.01A，A9=1.02A，A10=1.02A。可以看到，通过电路的下限截止频率以后，电路的增益基本不变。图 3.5 频率增益原理图图 3.6 仿真结果第 22 页 共 35 页图 3.7 输入电压表 3.2 频率增益表图 3.8 幅频特性图 2实验和理论相符，在电阻不变时，电路的下限频率会随着电容的变化而改变，同样，在电容不变时，电路的下限频率会随着电阻的变化而改变。下线截止频率一般为

41、 0.7 倍的增益时出现，在达到一定数值时，增益不会随着频率变化而变化了。3.2 压阻式传感器和电压放大器（差动放大器）3.2.1差动放大器频率 2 4 6 7 8 16 24 32 36 40增益 0.1A 0.2A 0.35A 0.4A 0.7A 0.8A 0.9A 1.01A 1.02A 1.02A第 23 页 共 35 页1差动放大器的组成差动放大器又叫差分放大器，在直接耦合放大电路中，它是抑制零点漂移的最有效电路。差动管是一种完全对称的晶体管，它由两个元件参数相同的基本共射级放大电路组成。电路具有两个输入端，两个输出端。信号分别从两管的基级和射级之间输入，从两管的集电级之间输出。输出

42、信号是随着两端输入信号之差变动的，所以叫差动放大器。2差动放大器的特性在差动放大电路中，无论是电源电压波动还是温度变化都会使两管的集电极电流和集电极电位发生相同的变化，相当于在两输入端加入共模信号。由于电路完全对称，使得共模输出为零，共模电压放大倍数 AC=0，从而抑制了零点漂移。电路放大的只是差模信号。差动放大电路在零输入时具有零输出；静态时，温度有变化依然保持零输出，即消除了零点漂移。电路对共模输入信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。 对于差动电路来说，差模信号是有用信号，要求对差模

43、信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强。当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。共模抑制信号比越大，差动放大电路分辨所需的差模电路信号的能力越强，而受共模信号的影响越小，因此对共模信号的放大倍数越小越好。由于电路的对称性结构特点和恒流源的作用，当电源电压波动或温度变化时，对差分管的影响都是一样的，两管集电极电流和集电极电位同时发生变化，输出电压仍然为零。可见，尽管各管的零漂存在，但总输出电压为零，从而使得零漂得到抑制 27。下面用 INA128 做详细介绍。3.2.2INA1281INA128的定义INA

44、128 是低功耗、高精度的通用仪表放大器（差动放大器的一种） 。它的 3 运放设计和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流输入电路即使在高增益条件下(G =100 时，200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现 110000 的任一增益选择。INA128 提供工业标准的增益等式。INA128 用激光进行微调修正，具有非常低的偏置电压(5OmV ),温度漂移(0.5第 24 页 共 35 页)和高共模抑制 (在 G=100 时，120dB)。电源电压低至2.25 V 且静态电流只有CV/700 ，是电池供电系统的理想选择。内部输入保护能经受40V 电压而无损坏。AINA128 为 8 引脚

45、 DIP 和 S0-8 表衬底封装，规定温度范围为 -40C 至+85C 。图 3.9 INA128 的引脚图2设置增益在引脚 1 和引脚 8 之间外接一个电阻 RG 可对增益进行设置。（式RG50K:INA3.1）图 3.10 常用增益和电阻值式 2.15 中的 50K 是两个内部反馈电阻 A1 和 A2 的和。这些片内金属薄膜电阻是用激光进行微调至绝对精度值。外部增益设置电阻 RG 的稳定性和温度漂移也对增益有影响。RG 对增益精度和温度漂移的作用可由增益等式直接推算出来。高增益要求低电阻值，关键在于配线的阻值。加在配线电阻上的插座会导致大约为 100 增益或更大的附加增益误差（有可能是一

46、个不稳定的增益误差） 。3动态性能尽管 INA128 的静态电流低，但由于输入阶段电路的反馈电流的拓扑，它即使处于高第 25 页 共 35 页增益时，也有很宽的带宽。而且在高增益时间稳定也处于良好状态。4共模输入范围INA128 输入电路的线性输入电压范围从大约低于正电源电压的 1.4V 到高于负电源电压的 1.7V。差分输入电压导致输出电压的增加，但是线性输入电压范围受放大器A1 和 A2 输出电压漂移的限制。因此，线性共模输入范围与整个放大器的输出电压有关。输入超载会产生一个看似正常的输出电压。例如，如果一个输入超载使两个输入放大器达到其正输出漂移极限，则输出放大器测得的差分电压接近 0。

47、即使两个输入端均超载，A3 的输出端电压也接近 0V。5低电压工作INA128 可在电源电压低至2.25V 时工作。在 2.25V 至18V 的电源电压范围内可保持良好的性能。在该电压范围内大多数参数只发生极细微的变化。但在极低的电源电压下工作时，要求确保输入电压保持在其线性范围内。且在低电源电压时，内部节点的电压漂移对共模输入范围有限制。15V、5V 和2.5V 为电源电压的线性工作范围。6INA128的特性（1）特点低偏置电压:最大 50 V低温度漂移:最大 0.5 C/低输入偏置电流:最大 5nA高共模抵制(CMR):最小 120dB输入保护至40V宽电源电压范围:2.25 至18V低静

48、态电流:700 A8 引脚塑料 DIP 和 SO-8 封装（2）应用范围桥式放大器热电偶放大器第 26 页 共 35 页RTD 传感放大器医疗仪器数据获得 28303.3 ICP式传感器和恒流源3.3.1恒流源1放电时间常数(DTC)当在一个阻容电路中发生电荷（或电压）泄漏时，泄漏遵循指数衰减规律。压电传感器系统的特性类似。系统中电容的值（用法拉表示）乘以电阻值（用欧姆表示）称为放电时间常数（用秒表示） 。DTC 定义为传感器测量系统放电信号到测量阶跃变化原值的 37%时所需的时间。一个系统的 DTC 与一个系统的低频监测容量有关。在标定或者某个持续时间压力脉冲期间，由于其可以准静态工作，因此长的放电时间常数是非常有用的。2ICP压力传感器的 DTC在有内置 ICP 电子器件的 PCB 压力传感器中，传感器的放电时间常数被设定在由内置电路确定的值上。当 ICP 传感器遇到阶跃函数输入时，所产生电荷的数量 q，与机械的输入成正比。输出电压是 V = q/C，式中 C 是感受