【正文】 nce between the simulation and mathematical software Mathcad. 5) Preliminary analysis of the low frequency response of the charge amplifier stage. 6) Design the actual circuit of the charge amplifier stage and a series of measured data, a parative analysis and discussion on the measured data and theoretical analysis by the中北大學(xué)學(xué)位論文above theoretical analysis and simulation。如此應(yīng)用背景下動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試取得了飛速的發(fā)展進(jìn)步，并將在將來的測(cè)試科學(xué)、測(cè)試實(shí)踐領(lǐng)域中繼續(xù)發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用 [1,2]。存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)具有體積小，耗電低的特點(diǎn)，在對(duì)被測(cè)過程影響較小的條件下，可以跟隨被測(cè)物體在實(shí)測(cè)環(huán)境中完成一次記錄過程。因此存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)在現(xiàn)代工程實(shí)踐中得到了越來越廣泛的運(yùn)用與開發(fā)。常見的壓電傳感器有用于測(cè)試振動(dòng)與沖擊過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)的壓電加速度傳感器 [6]。壓電傳感器可以在實(shí)際生產(chǎn)、生活中測(cè)量許多基本、實(shí)用參數(shù)。 壓電傳感器在日常生活中的商用數(shù)碼產(chǎn)品中也被用的越來越多、越來越好。美國 ICSensors 壓電加速度傳感器，3031,1220,1230,1240 等型號(hào)。壓電加速度傳感器的測(cè)試電路通常被認(rèn)為一個(gè)較完整的非電變量的信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。即測(cè)試系統(tǒng)會(huì)依次經(jīng)過被測(cè)量的獲得、電荷電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的適調(diào)放大的順序，然后根據(jù)需要將信號(hào)存儲(chǔ)下來或進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示 [8~10]。由此可見，一般的非電量測(cè)量系統(tǒng)都包括傳感器、后續(xù)測(cè)量電路、適調(diào)放大電路、指示記載設(shè)備等幾個(gè)環(huán)節(jié)，有時(shí)還包括數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理分析設(shè)備。傳感器被測(cè)量 測(cè)量電路指示儀器記錄儀器數(shù)據(jù)處理圖 非電量測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖其中傳感器是測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵，因?yàn)樗梢詫⒈粶y(cè)量的物理非電量裝換成后續(xù)電路便于處理的電量，所以傳感器的準(zhǔn)確性與精度將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精確性。測(cè)量電路的種類因傳感器的種類而異 [11]，壓電傳感器一般常用的后續(xù)測(cè)量電路是電荷放大器，如圖 所示。如果不能解決好這個(gè)問題，壓電傳感器在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受到很大的限制。歷史上曾用過的測(cè)量電路有電壓放大器和電荷放大器兩種，不過電壓放大器由于在實(shí)際使用過程中有較大缺陷已經(jīng)用得很少，因?yàn)樗撵`敏度會(huì)隨著測(cè)試電纜的長度變化而變化 [13]。所以在實(shí)際科研測(cè)試領(lǐng)域中，電荷放大器被用到很多且對(duì)于傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確獲取有著至關(guān)重要的作用 [14]。準(zhǔn) δ 校準(zhǔn)是用窄脈沖（脈寬 1~5us）激勵(lì)起傳感器的主要模態(tài)，可直接由傳感器的響應(yīng)信號(hào)的頻譜和窄激勵(lì)脈沖的頻譜處理出傳感器的頻響特性。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)近些年來，國內(nèi)研制的高沖擊壓電傳感器的性能由于受到材料、結(jié)構(gòu)、工藝和安裝等因素的限制，量程和上限頻率難以得到提高，使得傳感器在高沖擊下環(huán)境測(cè)試結(jié)果的線性度不太理想。如此條件與環(huán)境下，如何改進(jìn)壓電傳感器及其后續(xù)電路的頻響上限與量程范圍就是一個(gè)非常迫切需要解決的基本問題。這對(duì)于改進(jìn)壓電傳感器的使用范圍、提高其測(cè)試精度有著至關(guān)重要的作用。它們的重要技術(shù)指標(biāo)與基本參數(shù)如下 [15]：輸入電荷量為 0～10 5PC，最大輸出電壓為 177。國外的應(yīng)用的較多有 KISTLER（奇石樂）5015A 型電荷放大器，該放大器主要用于機(jī)械量，如壓力,力和加速度的測(cè)量。由該圖可知這種電荷放大器在精度小于 3%的情況下，其頻響帶寬為 0~200kHz。另外 KISTLER 公司出產(chǎn)的電荷放大器型號(hào) 5011BxxY38 還具有適于低阻抗傳感器(低阻抗/標(biāo)定)的 BNC 輸入接口,低阻抗/標(biāo)定選擇開關(guān), 的電流源和一個(gè) 1nF 的標(biāo)定電容。另一方面可以利用一個(gè)外部電壓源對(duì)儀器標(biāo)定進(jìn)行檢查。圖 瑞士奇石樂出產(chǎn)的 5015 型電荷放大器以上這些產(chǎn)品的高頻截止頻率均沒達(dá)到 300kHz，不能滿足準(zhǔn) δ 校準(zhǔn)的需要。電荷放大器最重要的一環(huán)就是電荷放大級(jí)，本文將著重進(jìn)行高頻響電荷放大級(jí)的研究。從理論方面詳細(xì)分析了組成電中北大學(xué)學(xué)位論文5荷放大器的各個(gè)電路模塊的功能與設(shè)計(jì)。并給出 Mathcad環(huán)境下的仿真曲線，著重對(duì)比 OPA340 與 OPA301 的工作頻帶帶寬，指出用 OPA301作為電荷放大級(jí)的可行性。本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容如下： 首先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(duì)壓電傳感器的測(cè)量電路進(jìn)行原理分析；詳細(xì)闡述電荷放大器的各個(gè)電路模塊設(shè)計(jì)，指出它們的功能與工作方式并分析各自的傳遞函數(shù)。另外從測(cè)試系統(tǒng)的工作頻帶角度分析了不同運(yùn)放組成的電荷放大級(jí)的工作頻帶區(qū)別所在，并在數(shù)學(xué)軟件 Mathcad 下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后通過以上理論分析與仿真，設(shè)計(jì)制作了電荷放大級(jí)的實(shí)際電路，并得到了一系列的相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行了對(duì)比分析與討論。居里和 雅克1881 年，他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。沃伊特（Woldemar Voigt） ，推論出只有無對(duì)稱中心的 20 中點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)。1881 年 Lippman 應(yīng)用熱力學(xué)原理預(yù)言了逆壓電效應(yīng)（converse piezoelectric effect），即電場(chǎng)可以引起與之成正比的應(yīng)變 [16]。壓電材料方面的快速進(jìn)步推進(jìn)了壓電效應(yīng)的研究與應(yīng)用。首先，郎之萬于 1916 年開發(fā)出了用石英壓電材料制成的水下聲波發(fā)生器和接收器，并在實(shí)際生產(chǎn)中可以用于對(duì)水下物體的探測(cè)與搜尋。其次，1918 年 Cady 利用壓電晶體在諧振頻率附近的特殊的電性能制作了諧振器，該創(chuàng)舉為壓電材料在通訊方面的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。因?yàn)樗哂休^好的頻率響應(yīng)特性，結(jié)構(gòu)簡單易于安裝，可靠性很高等長處。 晶體的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)（Piezoelectricity），從能量守恒和轉(zhuǎn)換的角度來看屬于機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。壓電效應(yīng)在聲音的產(chǎn)生和偵中北大學(xué)學(xué)位論文7測(cè)，高電壓的生成，電頻生成，微量天平（microbalance），和光學(xué)器件的超細(xì)聚焦有著重要的運(yùn)用。與此同時(shí)，壓電材料會(huì)抵抗這種形變并且在材料的表面上產(chǎn)生出等量的正負(fù)電荷。正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。 ?為應(yīng)力，單位是 N/m2；逆壓電效應(yīng)同理可得。這種通過電場(chǎng)作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)” 。 ()tSdE?其中，S 為晶體的楊氏模量； 為壓電常數(shù)，單位是 m/V；E 為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，單位是tV/m。如果外界電場(chǎng)較強(qiáng)，那么壓晶體管還會(huì)出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（electrostriction effect） ，即材料應(yīng)變與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比的現(xiàn)象。42/mC中北大學(xué)學(xué)位論文8圖 壓電晶體的壓電效應(yīng)圖解壓電材料的這種壓電效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于壓電材料本身的特殊結(jié)構(gòu)方式?jīng)Q定的。根據(jù)材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷） 、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種。1）壓電單晶體壓電單晶體大多數(shù)為鐵晶體管。這些鐵電晶體包括：a) 含氧八面體的鐵晶體管，例如鈦酸鋇晶體、具有鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰、鈮酸鉭和具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鍶鋇晶體；b) 含有氫鍵的鐵晶體管，例如磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、和磷酸氫鉛（及磷酸氘鉛）晶體；c) 含層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍晶體等；目前應(yīng)用最廣泛的非鐵電性的石英壓晶體管、鐵典型壓晶體管鈮酸鋰和鈮酸鉭等壓電多晶體（壓電陶瓷） 。1950 年左右發(fā)明的鋯鈦酸鉛（簡稱：PZT ）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷。之后又相繼在苧麻、絲竹、動(dòng)物骨中北大學(xué)學(xué)位論文9骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現(xiàn)了壓電性。1969 年發(fā)現(xiàn)電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強(qiáng)的壓電性。3）壓電復(fù)合材料壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。這種復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其余種類的壓電傳感器的工作原理也可通過類似的推理而得出。它是根據(jù)某些壓電材料的壓電效應(yīng)原理來設(shè)計(jì)、制作的。并且在加速度計(jì)的固有頻率遠(yuǎn)高于被測(cè)物理量的振動(dòng)頻率的情況下，該作用力的變化線性正比于被測(cè)加速度的大小。圖 壓電加速度傳感器的原理示意圖在實(shí)際工作過程中，傳感器的基座和試件是剛性固定在一起的，因此在傳感器受到一定的外部作用后，由于彈簧的剛性系數(shù)較大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量較小，可一般認(rèn)為質(zhì)中北大學(xué)學(xué)位論文10量塊的慣性較小 [18]。因此，質(zhì)量塊就會(huì)在壓電元件上施加一大小正比于加速度的交變力的作用。通常情況下可以認(rèn)為，在傳感器的固有頻率遠(yuǎn)高于試件的振動(dòng)頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷量（或電壓）與作用力成線性正比例關(guān)系 [19]。 靈敏系數(shù) 此處的靈敏度系數(shù)是指?jìng)鞲衅鞅砻娈a(chǎn)生的電荷量與受到外力作用的加速度的比值大小。根據(jù)上節(jié)的分析，壓電傳感器在受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生正比例與該作用力的電荷或電壓。電荷靈敏度指?jìng)鞲衅鬏敵鲭姾闪颗c所受到加速度的比值；電壓靈敏度是傳感器輸出電壓值與所受到加速度的比值大小；靈敏度系數(shù)越大，表明該傳感器在感受所受到的作用力（或加速度）時(shí)越敏銳，即使同樣微小的作用力（或加速度）在施加于靈敏度系數(shù)較大的傳感器時(shí)，該傳感器輸出的電荷（或電壓）比其他傳感器輸出會(huì)高，即對(duì)被測(cè)量的反應(yīng)更顯著一些。下面我們以常見的壓電加速度傳感器為例來分析它的結(jié)構(gòu)以及固定方法。主要包括彈簧、質(zhì)量塊、基座、壓電元件與夾持環(huán)的配套安裝方法。這樣的結(jié)構(gòu)方式可以使得該系統(tǒng)的共振頻率比較高 [22]。同時(shí)該結(jié)構(gòu)方式的一個(gè)缺點(diǎn)是容易引起溫度漂移 [23]。該結(jié)構(gòu)中壓電元件處在中心軸向的直線方向上。圖 b 為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)較為簡單，質(zhì)量塊直接粘到位于中心支柱上的壓電元件上面。 圖 壓電式加速度計(jì)的三種結(jié)構(gòu)形式還有一個(gè)重要的特點(diǎn)是，傳感器頻率頻率響應(yīng)中的幅頻響應(yīng)的共振頻率直接決定了傳感器的上限頻率 [26]。壓電傳感器的阻尼系數(shù)較?。▃=）時(shí)，其上限頻率一般取為共振頻率的三分之一，如此可以使得傳感器幅值誤差小于1dB；如果上限頻率為共振頻率的五分之一，可進(jìn)一步確保測(cè)試精度，傳感器幅值誤差可以降到小于 的水平 [27]，同時(shí)相位差小于 3 度。如果以此來推斷實(shí)際測(cè)試中的幅頻曲線值，由于現(xiàn)實(shí)中的固定方法比較不易于達(dá)到剛性連接的要求，因此現(xiàn)實(shí)情況下的傳感器的這些參數(shù)值都會(huì)低于參考資料中給出的具體數(shù)值。因?yàn)樗谑艿窖仄涿舾休S方向上的外部作用力時(shí)，其壓電材料的表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)量的電荷，且大小相等、極性相反。電容量的大小可由下式求得 ()0aAC???式中 ——壓電傳感器的內(nèi)部電容(F)；aC ——真空介電常數(shù)( )。0 ???? ——壓電材料極板間的正對(duì)面積( )。?假設(shè)傳感器受到的外部作用力為 F，依據(jù)前面提到的壓電效應(yīng)理論，壓電元件兩極板上生成的電荷量 Q 為： ()ijijdMa?其中 為壓電常數(shù)，M 為質(zhì)量塊，在被測(cè)量振動(dòng)頻率較低時(shí)，傳感器的輸出電荷ijd和加速度成正比例線性關(guān)系。圖中 Ri 為絕緣電阻，絕緣電阻非常大，一般在 109~1014 歐姆之間從中北大學(xué)學(xué)位論文13而可看做是開路的。aQUC?圖 壓電傳感器的等效電路圖由圖 可見，當(dāng)壓電傳感器的內(nèi)部沒有漏電電荷，且電路的負(fù)載電阻趨于無窮大時(shí)，根據(jù)電荷守恒定律，傳感器受壓產(chǎn)生出來的電壓量才可以被完整儲(chǔ)存下來。RC??所以當(dāng)被測(cè)量為一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)或者說頻率值比較低的信號(hào)是，為了充分測(cè)得該靜態(tài)量必須使得電路的放電時(shí)間常數(shù)盡量大，一般是采取令負(fù)載電阻具有相當(dāng)高的阻值。壓電傳感器與后續(xù)測(cè)量電路匹配連接時(shí)，其等效電路如圖 所示。中北大學(xué)學(xué)位論文14圖 壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)的等效電路該測(cè)試系統(tǒng)的等效電路中引入許多參數(shù)如：傳輸電纜的電容、放大器的輸入阻抗、傳感器自身的絕緣電阻等 [31]。它們是該電路的最重要、最基本的參數(shù)。為了較好解決這個(gè)問題，需要前置放大器也具有極高的輸入阻抗，以確保電荷可以完整地、不泄露地輸入給后接電路中。本章先重點(diǎn)分析電壓放大器，電荷放大器的部分將在下一章中做詳細(xì)闡述。電壓放大器的等效電路如圖 所示。其中壓電晶體材料選為常見的壓電陶瓷，其壓電系數(shù) d。.i /adC為了分析的方便，將圖 中電壓放大器輸入端的電壓為 寫成復(fù)數(shù)的形式，則iU得到在不同角頻率時(shí)輸出電壓可以用下式表示： ()..1()i ajRUdFC???通過上式可分別計(jì)算出輸出電壓的幅值大小以及輸出電壓和被測(cè)量之間的相位差，表示如下： ()221()arctnmimaciidFRC????????通過上式可以看出，角頻率 較大時(shí)滿足 ，在這種情況下22()1aciRC???放大器輸入端的電壓幅值大小可近似看作與被測(cè)頻率沒有關(guān)系。在實(shí)際測(cè)量中使用電壓放大器時(shí)，由于這些因素的影響，其靈敏度會(huì)受到較大波動(dòng)，即使用不同長度的傳輸電纜，電壓放大器的靈敏度就會(huì)不