CN103138696A - 电荷积分放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种电荷积分放大器，具有一个将压电传感器的输出等效为一个电荷发生装置，以及同线路连接压电传感器电路的等效电容C_t，电荷积分运算放大器的反向输入端通过串联的电阻R和电容C₁进行积分，同时，通过跨接于电荷积分运算放大器反向输入端与输出端之间的馈电容C₂的反馈作用调节增益，通过具有高输入阻抗的运放实现阻抗变换，对电荷发生装置产生的电荷Q进行积分、转换和放大。本发明能够直接对电荷进行一次积分，且具有增益放大、电荷转换为电压以及阻抗变换的能力。

Description

电荷积分放大器

技术领域

本发明涉及一种用于压电传感器的电荷积分放大器。

背景技术

压电传感器的输出一般是阻抗很高的电荷信号，例如压电加速度传感器，它的输出是电荷信号，其电荷信号大小通常与被测物的振动加速度信号成正比，同时二者频率和相位一致。如果要通过这个振动加速度传感器获得被测物振动速度，则需要对加速度电荷信号通过两部分电路进行处理：第一部分是电荷放大转换电路，该电路将加速度电荷信号转换为加速度电压信号，即实现pC-mV的转换，这里面会涉及到阻抗变换、增益调整的功能；第二部分是积分放大电路，该电路将加速度电压信号积分为速度电压信号，由于积分后的信号会有较大的衰减，因此在积分之后还会做一次放大。

发明内容

本发明任务是提供一种能够直接对电荷进行一次积分放大，具有增益放大、电荷转换为电压以及阻抗变换的能力的电荷积分放大器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种电荷积分放大器，具有一个将压电传感器的输出等效为一个电荷发生装置，以及同线路连接压电传感器电路的等效电容C_t，其特征在于，电荷积分运算放大器的反向输入端通过串联的电阻R和电容C₁进行积分，同时，通过跨接于电荷积分运算放大器反向输入端与输出端之间的馈电容C₂的反馈作用调节增益，通过具有高输入阻抗的运放实现阻抗变换，对电荷发生装置电荷Q的积分、转换和放大。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明电荷积分放大器是一种可以直接对压电传感器输出的电荷信号进行积分运算的放大器，具有增益放大、电荷转换为电压以及阻抗变换的能力。是一种基于硬件的对模拟信号的处理，它可以实现对压电传感器输出的电荷信号进行一次积分、电荷电压转换、阻抗变换和增益放大四项功能。

可以将压电传感器的输出等效为一个电荷发生装置Q，其连接到电路的电缆电容和压电传感器的电容共同等效为C_t，通过串联的电阻R和C₁进行积分，同时，可以通过馈电容C₂的反馈作用调节增益，通过高输入阻抗的运放实现阻抗变换，整个电路可以实现对电荷Q的积分、转换和放大，实现了加速度电荷到速度电压的直接转换，将传统的两个部分电路合并为一个十分精练的电路。能够使加速度电荷到速度电压的直接转换，它可以实现对压电传感器输出的电荷信号进行一次积分、电荷电压转换、阻抗变换和增益放大的多重功能，为传感器的内置集成电路小型化提供了重要的原理，特别是涉及到需要积分、电荷转换、放大和阻抗变换的集成电路。

利用本发明可以大大减小压电传感器内置集成电路的大小，还可以研制出电压输出的压电速度传感器，如果加入两极该电路，则还可以研制出压电位移传感器，例如IEPE式压电速度传感器和IEPE式压电位移传感器。这种内置的电荷积分放大器比较外置的电路而言，具有体积大幅减小、功率小、测试速度的频率响应能力大幅拓宽等优点。

附图说明

图1是本发明电荷积分放大器的电路原理示意图。

图2是电荷积分放大器的实施方案。

图中：Q为压电传感器的输出电荷，R、C₁为串联的电阻和电容，C₂为运算放大器的反馈电容，A为运放的开环增益，U_Q为压电传感器的输出电压，U₁为运放输入端电压，U₂为反馈电容两端电压，U₀为输出电压，I_Q为从压电传感器端流出的电流；I_t为流向C_t的电流，I₁为流经R和C₁的电流，I₂为流经C₂的电流。

具体实施方式

参阅图1。电荷积分放大器由电阻R、电容C₁、反馈电容C₂和高输入阻抗运算放大器所组成。该电荷积分放大器是由最基本组成单元：串联在运算放大器的反向输入端的电阻R、电容C₁和跨接于电荷积分运算放大器反向输入端与输出端之间的反馈电容C₂所组成的一个负反馈电荷放大器。所述反馈电荷放大器的输入是基于压电原理的传感器，或者输入的信号是以电荷形式表示的输入设备。它具有一个将压电传感器的输出等效为一个电荷发生装置，以及同线路连接压电传感器电路的等效电容C_t，C_t为压电传感器的等效电容C_q和接入该电路电缆电容C_d的总和。电荷积分运算放大器的反向输入端通过串联的电阻R和电容C₁进行积分，同时，通过跨接于电荷积分运算放大器反向输入端与输出端之间的馈电容C₂的反馈作用调节增益，通过具有高输入阻抗的运放来实现阻抗变换，对电荷发生装置电荷Q的积分、转换和放大。电阻R大于10M Ω以上、电容C₁的范围在1pF～uF之间、电容C₂的范围在1pF～uF之间；

从压电传感器流出的电流将分别流向运算放大器和等效电容C_t，即：

I_Q＝I_t+I₁(1)

根据电荷与电流的关系，可以知道：

$I_Q=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式(1)中，I_t为流经C_t的电流，这个电流为：

$I_t=C_t\frac{{\mathrm{dU}}_Q}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

同理，I₂的电流为：

$I_2=C_2\frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

根据运放的开环增益A，可以知道：

$U_2=(1+\frac{1}{A})U_0---\left(5\right)$

那么公式(4)的表达式可以为：

$I_2=C_2\frac{{\mathrm{dU}}_2}{\mathrm{dt}}=C_2(1+\frac{1}{A})\frac{{\mathrm{dU}}_0}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

而U_Q的值可以根据以下公式推导：

$U_Q=U_0-U_2-U_1=U_0-(1+\frac{1}{A})U_0-I_{1}R-\frac{1}{C_1}\∫I_1\mathrm{dt}$

其中，由于运放的输入阻抗极高，可以将流进运放的电流看着为零，因此可以得到I₁＝I₂，则：

$U_Q=U_0-(1+\frac{1}{A})U_0-{\mathrm{RC}}_2(1+\frac{1}{A})\frac{{\mathrm{dU}}_0}{\mathrm{dt}}-(1+\frac{1}{A})\frac{C_2}{C_1}{U}_0$

简化后可得：

$U_Q=[\frac{1}{A}-(1+\frac{1}{A})\frac{C_2}{C_1}]U_0-{\mathrm{RC}}_2(1+\frac{1}{A})\frac{{\mathrm{dU}}_0}{\mathrm{dt}}$

两边同时微分后可以得到：

$\frac{{\mathrm{dU}}_Q}{\mathrm{dt}}=[\frac{1}{A}-(1+\frac{1}{A})\frac{C_2}{C_1}]\frac{{\mathrm{dU}}_0}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{RC}}_2(1+\frac{1}{A})\frac{d^2{U}_0}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(7\right)$

将(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)全部带入(1)，则可以得到一个重要的关系式：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}[\frac{C_t}{A}-\frac{C_2}{C_1}(1+\frac{1}{A})C_t+C_2(1+\frac{1}{A})]\frac{{\mathrm{dU}}_0}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{RC}}_2{C}_t(1+\frac{1}{A})\frac{d^2{U}_0}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(8\right)$

关系式(8)表示了压电传感器的输出电荷与电路输出电压的一个关系，这其中包含了一次和二次的微分。根据实际的应用出发可以做出以下假设：

a.由于此电路用于压电传感器，如果将电路至于传感器之内，及形成内置集成电路的压电传感器，则等效电容C_t中包含的电缆部分几乎为零，则C_t＝C_a，若在设计电路时，取C₁＝C_a，则C_t＝C₁＝C_a；

b.运算放大器的开环增益A非常大，一般在10⁵以上；

由此可以将关系式(8)中一次微分就将被约掉，二次微分则：

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{RC}}_2{C}_t\frac{d^2{U}_0}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(9\right)$

将两边同时积分两次，可以得到：

∫Qdt＝-RC₂C_tU₀(10)

根据第一个假设，则C_t即为压电传感器的电容C_a，我们可以理解为常数，因此则最终的输出与输入的关系为：

$U_0=-\frac{1}{{\mathrm{RC}}_2{C}_a}\∫\mathrm{Qdt}---\left(11\right)$

式(11)为本发明电路的基本原理公式。

参阅图2。图2所示是某型号压电振动加速度传感器内置的电荷积分放大器原理图。在这一方案中，传感器原始的电荷灵敏度Sa为55pC/g(pk-pk)，传感器电容C_a约为3900pF，C₁选用3900pF的电容。R的阻值和C₂的容值是十分关键的参数，它决定了积分后的输出大小。选择R＝100MΩ、C₂＝1000pF，由此可以根据公式(11)算出传感器经过电荷积分放大器后的输出灵敏度S_v(pk-pk)将等于：S_v＝1.4×10^-2mV/mm/s。这个速度灵敏度的值比较小，因此可以在后面再接入两极放大或者仪表放大，如放大1000倍后，可得到14mV/mm/s的振动速度灵敏度，已可应用于工业中对振动速度或烈度的测试需要。

Claims (4)

1.一种电荷积分放大器，具有一个将压电传感器的输出等效为一个电荷发生装置，以及同线路连接压电传感器电路的等效电容C_t，其特征在于，电荷积分运算放大器的反向输入端通过串联的电阻R和电容C₁进行积分，同时，通过跨接于电荷积分运算放大器反向输入端与输出端之间的反馈电容C₂的反馈作用调节增益，通过具有高输入阻抗的运算放大器运放实现阻抗变换，对电荷发生装置产生的电荷Q进行积分、转换和放大。

2.如权利要求1所述的电荷积分放大器，其特征在于，电荷积分放大器是由最基本组成单元：串联在运算放大器的反向输入端的电阻R、电容C₁和跨接于电荷积分运算放大器反向输入端与输出端之间的反馈电容C₂所组成的一个负反馈电荷放大器。

3.如权利要求1或2所述的电荷积分放大器，其特征在于，所述反馈电荷放大器的输入是基于压电原理的传感器，或者输入的信号是以电荷形式表示的输入设备。

4.如权利要求2所述的电荷积分放大器，其特征在于，电阻R大于10MΩ、电容C1的范围在1pF～uF之间、反馈电容C2的范围在1pF～uF之间。

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