【正文】 入電阻低的優(yōu)點，因此用 它來做輸出放大電路是一種非常適合的理想的阻抗變換器。為了避免這種低頻的直流分量，同時降低直流漂移給電路整體帶來的影響，可以選擇在低通濾波器之后再加上一個恰當(dāng)合適的高通濾波器。所以可以應(yīng)用改變參數(shù)值的手段達(dá)到電路工作在臨阻尼狀態(tài)的目的。并且 經(jīng)過比對分析可以得出該電路的固有角頻率 T 和中北大學(xué)學(xué)位論文 24 阻尼系數(shù) ? 的表達(dá)式如下： 0 1 2 1 211w T R R C C?? 1 1 2 2 1 21 2 1 22R C R C R CR R C C? ??? () 從上述表達(dá)式可得出，二階 RC 無源低通濾波電路的阻尼系數(shù)是大于 1 的，因此電路只能工作在過阻尼狀態(tài)。 中北大學(xué)學(xué)位論文 23 為了對比 分析有源濾波器與無源濾波器的優(yōu)劣，我們 特地 分別研究了二階有源濾波器和二階無源濾波器的工作原理，從多個角度對他們進(jìn)行比較 ， 首先來 介紹 分析 下 二階RC 無源低通濾波器 。故在實際應(yīng)用中受到了很大的限制。 低通濾波器指有用的低頻信號能夠通過而高頻干擾信號不能通過的濾波器。 運(yùn)算放大器的同相輸入端所接的電阻 R9，是該電路中的直流平衡電阻。其電壓放大倍數(shù)為 011fVFiRVA VR? ? ? () 圖 同相比例 運(yùn)算電路 根據(jù)上述兩種比例運(yùn)算放大器的對比分析結(jié)果，并針對本設(shè)計中的具體要求，我們采用反相比例運(yùn)算放大器作為歸一化電路模塊的核心 部分。與反相運(yùn)算放大電路不同的是，輸入電壓通過一個電阻 R2 接到同相輸入端上。所以我們令R2 的電阻值滿足 21// fR R R? 。圖 所示即為其原理圖，輸入電壓經(jīng)電阻 R1 加到集成運(yùn)放的反相輸入端，其同相輸入端經(jīng)電阻 R2 接地，輸出電壓經(jīng)過電阻 Rf 接回到反相輸入端。而 它們的靈敏度分別為 1 10 /QK pC g? 和 2 4/QK pC g? ，電荷轉(zhuǎn)換級的反饋網(wǎng)絡(luò)的積分電容為1000fC pF? ，那么這兩只傳感器的靈敏度分別計算如下 11 0 .0 1 0 /QUfKK V gC?? 22 0 .0 0 4 /QUfKK V gC?? () 在這種情況下，我們設(shè)置歸一化電路的電壓放大倍數(shù)分別為 1 2A?? 、 2 5A?? ，則測量一個 g時，這兩只不同靈敏度通過歸一化電路后的輸出電壓值分別為 1 1 1 A K g V? ? ? 2 2 2 0 .0 2 0oUV A K g V? ? ? () 由上式計算結(jié)果可知，兩只不同靈敏度的壓電傳感器在經(jīng)過歸一化電路的處理后得到了相同幅值的電壓輸出，從而達(dá)到了歸一化的要求并且適合于后續(xù)電路的進(jìn)一步處理分析。 它可以將不同靈敏度的壓電傳感器在接受到等量的輸入信號后通過適宜的適調(diào)放大，使不同的電路輸出相同即歸一化的電壓值。因為它具有良好的穩(wěn)定性和 較高的絕緣電阻，精度可以達(dá)到 %以下。 中北大學(xué)學(xué)位論文 18 圖 OPA301 的內(nèi)部電路原理圖 反饋電容 的型號選擇 從另一個角度來看，電荷轉(zhuǎn)換級電路可以看 作 是一個負(fù)反饋型的積分放大器。本文選用 BB 公司出產(chǎn)的 OPA340 或 OPA301 集成運(yùn)放芯片。本文中對集成運(yùn)放的選擇主要考慮這些重要的特點：工作頻帶帶寬要寬、很高的電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻和低輸出電阻以及較低的漂移效應(yīng)。并可以對該電荷信號進(jìn)行電荷、電壓轉(zhuǎn)換從而輸出合適大小的電壓值。 輸出放大電路的 功能 是最終輸出恰當(dāng)?shù)碾妷盒盘?，方便后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)的記錄、顯示和進(jìn)一步處理。且在這一過程中如果電壓超過設(shè)定量程，會通過過載指示電路顯示已經(jīng)過載超過額定值。這也就是電壓放大器在測量系統(tǒng)的使用中的最大缺點，因此現(xiàn)在電壓放大器已經(jīng)用得較少，基本已被電荷放大器取代。在這種情況下，由于受到力 F而產(chǎn)生的電壓為 sinmU U t?? () 式中， .iU 是電壓幅值， /m m aU dF C? 。 電壓放大器 電壓放大器的作用 是拾取壓電傳感器輸出的微弱電荷量，并進(jìn)行信號放大，同時可以將壓電傳感器原本的高阻抗輸入量變換為低阻抗的輸出量，從而利于后續(xù)電路的進(jìn)一步處理。 壓電傳感器測量電路 原理分析 由上節(jié)壓電傳感器的等效電路分析可以看出，壓電傳感器 由于 具有很高的內(nèi)阻不利中北大學(xué)學(xué)位論文 14 于 其 將電荷量（或電壓）完整 輸出給后續(xù)電路。（ a）、（ b）分別為等效電路的電壓與電荷模式，雖然電路參數(shù)不盡相同，但根據(jù)電路原理二者其實是等效的 [30]，只不過在不同的情況 下為了分析的方便而采取的不同形式。一般實際情況中由于電阻不可能無窮大，所以電路會不可避免的進(jìn)行放電 ，且放電時間常數(shù)為RC?? [29]。壓電傳感器 的等效電路可看做是 電荷源 與 電容器的并聯(lián)，如圖 (a)所示。 0? ——壓電 材料 的 介電常數(shù) ( 12 10 10 Fm? ???? )。 圖 壓電 加速度傳感器 的幅頻特性曲線 中北大學(xué)學(xué)位論文 12 壓電傳感器的等效電路 壓電傳感器在通常情況下也被當(dāng)做是一個電荷源。該特性如圖 所示。它的優(yōu)點是共振頻率高，線性度穩(wěn)定 [24]，并且當(dāng)?shù)鬃l(fā)生一定變形或者溫度變化時，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)Υ擞泻芎玫母綦x作用避免其受到這些因素的影響。同時當(dāng)被測物體連接到基座后，如果基座 B 產(chǎn)生形變則會使得拾振器輸 出產(chǎn)生一定的影響。 如圖 所示為一般工程實踐中常見到的三種典型的傳感器的結(jié)構(gòu)安裝示意圖。故在描述傳感器靈敏度也有電荷靈敏度和電壓靈敏度兩種描述方法。即 ijQ dF? ，由于 F=ma,于是得到產(chǎn)生電荷量與試件加速度的關(guān)系式如下： 中北大學(xué)學(xué)位論文 10 ijQ dma? () 式中 ， ijd 為壓電材料的 壓電常數(shù) (C／ N)； m為質(zhì)量塊質(zhì)量； a 為試件振動加速度。在這樣的情況對比下，質(zhì)量塊和基座在同一個測試系統(tǒng)下受到相同的外部沖擊作用時候，二者受到的慣性力的方向與加速度方向正好相反。 其工作原理如下：當(dāng)加速度計經(jīng)受到振動或沖擊的時候，它內(nèi)部的質(zhì)量塊會同步在壓電晶體上施加相應(yīng)的作用力。 壓電 傳感器的工作原理 工作原理 本節(jié)以常見的壓電加速度傳感器為例來說明其工作原理。常見的壓電 復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹脂）的兩相復(fù)合材料。 1960 年發(fā)現(xiàn)了人工合成的高分子聚合物的壓電性。 陶瓷的壓電性質(zhì)最早是在鈦酸鋇上發(fā)現(xiàn)的，但是由于純的鈦酸鋇陶瓷燒結(jié)難度較大，且 居里點 （ 120℃ 左右）、室溫附近（ 5℃ 左右）有 相變 發(fā)生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不高。根據(jù)具體的材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類 [17]。可以用以下公式給出： S uE? () 其中， u為電致伸縮系數(shù)，單位是 42/mC。逆壓電效應(yīng)實質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。 Pd?? () 其中， P 是晶體的電極化率，單位是 C/m2； d 為壓電常數(shù)，單位是 C/N。 中北大學(xué)學(xué)位論文 7 如圖 所示， 壓電材料在感受到施加于其上的外部作用力后，其自身體內(nèi)的電偶極距會由于壓縮而產(chǎn)生變短的形變。正是由于具有這些獨特的優(yōu)點，壓電傳感器在測量各種瞬態(tài)過程中的參數(shù)變化時，有著顯著的優(yōu)點并能夠很好地完成這些測量任務(wù)。這是人類發(fā)明的最早的壓力電能轉(zhuǎn)化設(shè)備。接著 Hankl 引入了 piezoelectricity（壓電性）這個名詞。 1984 年，德國物理學(xué)家 沃德馬 中北大學(xué)學(xué)位論文 6 2 壓電傳感器 原理分析 及電荷放大器的電路模塊設(shè)計 壓電傳感器原 理分析 引言 1880 年 皮埃爾 其次對高頻響電荷放大級的原理進(jìn)行詳細(xì)分析，得出運(yùn)放開環(huán)增益對其高頻響應(yīng)的重要影 響， 并且 進(jìn)行了運(yùn)放的動態(tài)特性研究來支持這一觀點， 同時還 比較了兩種不同運(yùn)放芯片 OPA340 與 OPA301 組成的電荷放大級的不同高頻響應(yīng)表現(xiàn)。在對高頻響電荷放大級進(jìn)行分析時，著重說明以前一直被忽略的 運(yùn)算放大器開環(huán)增益 Aod 的 幅頻和相頻隨頻率變化的特性（ 復(fù)數(shù) 形式 ） ，說明運(yùn)放芯片的頻率特性是影響電荷放大器頻響的主要因素。并且隨著科技的發(fā)展與測試要求的不斷提高，高頻響應(yīng)出色的電荷 放大 器已經(jīng)越來越受到重視。這個電容一方面可以將低阻抗傳感器的電壓信號轉(zhuǎn)換成電荷信號。 它的主要參數(shù)如下圖 所示。 國內(nèi)的電荷放大器產(chǎn)品早期的有朗斯測試技術(shù)有限公司研發(fā)的 LC060l 電荷放大器和揚(yáng)州泰斯電子出產(chǎn)的 TS5865 電荷放大器。 目前國內(nèi)研發(fā)出的壓電傳感器樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)可達(dá)到：最大可測的沖擊加速度量程為 100,000g，安裝諧振頻率約為 ， 線性度為 10%；但是這樣的技術(shù)指標(biāo)在 工程實踐時仍不能完全滿足要求。 本文研究的高頻響電荷放大級的主要目的是為了實現(xiàn)傳感器的動態(tài)特性校準(zhǔn)，即準(zhǔn)δ 校準(zhǔn)。 可見，壓電傳感器的后續(xù)測量電路在整個測試系統(tǒng)中也有著非常關(guān)鍵的作用 。測量電路負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)化電壓、電流信號，這樣既方便對信號進(jìn)行二次處理，也可以使信號在存儲顯示設(shè)備上被存儲或顯示出來。有的情況中還需要進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理分析?？梢杂脕?監(jiān)視地震以及建筑物的防震性能 并可以進(jìn)行初步的地震預(yù)報 。比如可以得到物體相對于水平面的角度通過測量由于重力而引起的加速度變化；可以測得物體的運(yùn)動方向與快慢通過分析該物體的動 態(tài)加速度 [7]。 在 動態(tài)測試中首先需要 將被測的非電信號轉(zhuǎn)換為電信號， 壓電傳感器 較多的 應(yīng)用 于這一過程中 。 存儲測試技術(shù)是近 20 年來發(fā)展起來的，可以廣泛應(yīng)用于多種惡劣環(huán)境下的 實驗 測試方法 [3]。 6） 通過以上理論分析與仿真， 設(shè)計制作 了電荷放大級的實際電路，并得到了一系列的 相應(yīng)的 實測數(shù)據(jù) ，對實測數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行了對比分析與討論。 2） 詳 細(xì)闡述電荷放大器的各個電路模塊設(shè)計，指出它們的 功能 與工作方式并分析 了其中一些模塊 的傳遞函數(shù) 。 論文作者簽名： 日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說明 本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括 ：① 學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件； ② 學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文； ③ 學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱； ④ 學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文； ⑤ 學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容（保密學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）。圖書分類號 TP212 密級 非密 UDC 620 碩 士 學(xué) 位 論 文 高頻響電荷放大級的研究 指導(dǎo)教師（姓名、職稱） 申請學(xué)位級別 工學(xué)碩士 專業(yè)名稱 測試計量技術(shù)及儀器 論文提交日期 2020 年 4 月 28 日 論文答辯日期 2020 年 6 月 6 日 學(xué)位授予日期 2020 年 7 月 1 日 論文評閱人 答辯委員會主席 2020 年 6 月 1 日 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究所取得的成果。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 本文著重研究電荷放大級的高頻響應(yīng)，具體有以下幾個方面： 1）介紹壓電晶體的壓電效應(yīng) 、 壓電傳感器 的工作原理 和 靈敏系數(shù)，研究了壓電傳感器的等效電路 ，并對壓電傳感器的 測量電路 進(jìn)行 原理分析 。 5）初步分析 研究 了電荷放大級的低頻響應(yīng)。如此應(yīng)用背景下動態(tài)存儲測試取得了飛速的發(fā)展進(jìn)步，并將在將來的測試科學(xué)、測試實踐領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用 [1,2]。因此存儲測試技術(shù) 在現(xiàn)代工程實踐中得到了越來越廣泛的運(yùn)用與開發(fā) 。 壓電傳感器可以在實際生產(chǎn)、生活中測量許多基本、實用參數(shù)。