CN103281042B - 远距离传输iepe型电荷放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种远距离传输IEPE型电荷放大器，包括电荷放大器和IEPE接口电路，其特征在于，并联于运算放大器A两端的电荷反馈电容器C1和运算放大器A组成电荷放大器,串联电容器C2和场效应管并联电容器C3组成压电式加速度传感器IEPE接口变换电路,IEPE型电荷放大器的输入电缆分布电容Cd和输入压电式加速度传感器电容Ca的总和共同等效为Ct，通过C1的反馈作用调节增益，输出负反馈电压V_O=Q/C1，式中Q为压电式加速度传感器的输出电荷。利用本发明可以实现对压电式加速度传感器输出的电荷信号进行电荷电压转换、阻抗变换、增益放大和提供IEPE接口，且传输距离不小于100km。

Description

远距离传输IEPE型电荷放大器

技术领域

本发明涉及一种压电式加速度传感器领域中，传输距离不小于100km的IEPE型电荷放大器，尤其是可以实现电荷转换、放大和阻抗变换的集成电路。

背景技术

IEPE是指一种自带电荷放大器或电压放大器的压电式加速度传感器。IEPE是压电集成电路的缩写。IEPE中集成的高灵敏度的信号处理电路使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性并更容易封装。压电式加速度传感器由于具有体积小,重量轻,高的固有频率和宽的动态范围,以及高的耐压强度和好线性度,小的温度系数等优点,一直是瞬变量测量的主要工具。一般依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电式加速度传感器,它是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。压电式加速度传感器的输出一般是阻抗很高的电荷信号，例如高温压电压电式加速度传感器，它的输出是电荷信号，其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。如果想要采集到这个电荷信号，则必须将电荷转换为电压信号。因为压电式加速度传感器产生的电量是很小的，电信号很容易受到噪声干扰，需要用低噪声、高灵敏度的信号处理电路对其进行放大和信号调理。目前比较流行的二线制输出方式—即IEPE方式，传统的自带电荷放大器或电压放大器的IEPE型压电式加速度传感器仅仅局限能满足比较短的距离传输，一般不超过1000米。目前可应用于海洋探测、矿场监视等领域IEPE型压电式加速度传感器，实现超过100km以上的超远距离传输的传感器很少见。

压电式加速度传感器是利用材料的压电效应，将被测力、加速度等参数转换为电荷量或电压参数的变化进行输出的一种传感器装置,它的输出信号有电压和电荷两种，所以压电式传感器的内阻抗很高，而输出的信号很弱，因此一般不能直接显示和记录，也不能做静态信号的测量。它的测量电路需要一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配，这样才能防止电荷迅速泄漏，从而使测量误差减小。压电式加速度传感器的前置放大器有两个作用：一是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出）；二是放大压电式加速度传感器输出的微弱信号。压电式加速度传感器的输出信号可以是电压，也可以是电荷。以电压形式输出的压电式加速度传感器内部集成了电荷信号处理电路，而以电荷形式输出的压电式加速度传感器内部无信号处理电路，因此针对以电荷形式输出的压电式加速度传感器的前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比；一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠，但是，电缆长度对测量精度的影响较大，而使用电荷放大器则可以在一定的条件下，使传感器的灵敏度与电缆长度无关。

发明内容

本发明的任务是提供一种可以实现对压电式加速度传感器输出的电荷信号进行电荷电压转换、阻抗变换、增益放大和提供IEPE接口，且传输距离不小于100km的IEPE型电荷放大器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种远距离传输IEPE型电荷放大器，包括电荷放大器电路和IEPE接口电路。其特征在于，并联于运算放大器A两端的电荷反馈电容器C1和运算放大器A组成电荷放大器,串联电容器C2和场效应管并联电容器C3组成压电式加速度传感器IEPE接口变换电路,IEPE型电荷放大器的输入电缆分布电容Cd和压电式加速度传感器电容Ca的总和共同等效为Ct，通过C1的反馈作用调节增益，输出负反馈电压V_O=Q/C1，式中Q为压电式加速度传感器的输出电荷。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果，具体如下：

本发明运用高输入阻抗放大器组成电荷放大电路并用场效应管组成IEPE接口变换电路，它可以实现对压电式加速度传感器的输出电荷进行放大和阻抗变换，以此来实现对压电式加速度传感器输出的远距离传输和信号调理。

本发明这种远距离传输IEPE型电荷放大器，由图1可知，高输入阻抗运放与电容C1构成电荷放大器，电荷放大器的输入阻抗很高，一般大于10⁹Ω，它通过C1来调整增益，其输出电压V_O=Q/C1,其中Q为传感器的输出电荷；电容C2、C3及场效应管构成IEPE接口变换电路。放大器的开环增益A是10⁵，C1和传感器压电陶瓷的电容量Ca都是1nF，当传感器的传输电缆较短时（小于100m），压电式加速度传感器的等效电容Ca和接入该电路电缆电容Cd的总和Ct的值小于100pF，对于公式（7）中约等于0，此时Vo1=Q/1000pF，当传感器传输电缆为100km时，压电式加速度传感器的等效电容Ca和接入该电路电缆电容Cd的总和的值约为10uF，此时Vo2=Q/1100pF。因此100km电缆和100m电缆传输的输出电压误差为（Vo2/Vo1）*100%=11%。对100km外的压电式加速度传感器输出的电荷信号进行Q/V变换、增益调节、阻抗变换和IEPE接口输出，它的工作电流为（2～10）mA，是一种基于硬件的对模拟信号的处理，可以将压电式加速度传感器的输出等效为一个电荷发生装置Q。电荷放大器和IEPE接口变换电路，用于电荷转换和放大，既满足电荷信号的长距离传输，又满足现行振动测量装置中二线制传输的要求。

本发明通过运用高输入阻抗放大器构成的电荷放大电路和运用场效应管构成的IEPE接口变换电路，它可实现对电荷信号进行放大、阻抗变换和以IEPE方式输出交流电流信号，以此来实现对压电式加速度传感器输出的远距离传输和信号调理。

本发明为传感器的内置集成电路小型化提供了重要的原理，可以将振动传感器在恶劣的环境中使用，并将振动传感器输出的电荷信号通过长电缆传输到环境较好的地方进行信号调理。另外，本发明采用的是IEPE输出方式，可以减少电荷放大器的输出接口、内部电路。

附图说明

图1是本发明压电式加速度传感器与电荷放大器连接的等效电路原理图（图1中Q为等效于压电式加速度传感器输出的电荷量）。

图2是本发明IEPE型电荷放大器一个实施例的电路示意图。

具体实施方式

参阅图1。远距离传输IEPE型电荷放大器电路的最基本组成单元，由电荷反馈电容器C1、高输入阻抗运算放大器和场效应管所组成，其中反馈电容器C1和运算放大器A组成一个电荷放大器，电容器C2、C3和场效应管组成IEPE接口变换电路。远距离传输IEPE型电荷放大器的输入信号是基于压电原理的传感器或者是以电荷形式表示的输入设备，主要由高输入阻抗运算放大器、电荷反馈电容器C1、串接电容器C2、场效应管并接电容器C3组成，其中高输入阻抗运算放大器与电荷反馈电容器C1构成电荷放大器，电容C2、C3及场效应管构成IEPE接口变换电路。电荷反馈电容器C1、阻抗运算放大器串联电容器C2和场效应管并联电容器C3组成IEPE接口变换电路。电容C1、C2、C3的范围在1pF～1uF之间。电荷放大器是由并联于阻抗运算放大器A两端的电荷反馈电容器C1组成的电荷放大器，电荷反馈电容器C1和电荷放大器组成电荷放大器。电荷放大器的输出电压Vo=Q/[(1+1/A)*C1+Ct/A]，式中：A为运算放大器的开环增益。

当压电式加速度传感器信号的传输电缆小于100m时，电缆上的分布电容Ct的值小于100pF，Vo=Q/[(1+1/A)*C1+Ct/A]公式中的Ct/A约等于0，此时Vo1=Q/1000pF；当传感器传输电缆为100km时，电缆上的分布电容Ct的值为10uF，此时Vo2=Q/1100pF，式中：Ct为压电式加速度传感器的等效电容Ca和接入该电路电缆电容Cd的总和，A为运放的开环增益，Q为压电式加速度传感器的输出电荷。IEPE为压电式加速度传感器通用接口类型，它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。压电式加速度传感器连接到IEPE型电荷放大器输入端的电缆分布电容和压电式加速度传感器的电容共同等效为Ct，通过C1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的Q/V变换、增益调节，即得到公式：

Vo=-Q/C1；

该IEPE型电荷放大器的电容C1、C2、C3的范围在1pF～1uF之间。根据原理图1所示，输入电压Vi和Vo之间存在的关系式：

Vo=-A*Vi；

V_C可以按公式（2）计算，即：

Vc=Vo-Vi=Vo-Vo/(-A)=(1+1/A)*Vo；

将前置放大器看着理想放大器，根据基尔霍夫定律得到关系式（3），即：

I+Ii+Ic=0；

I和压电元件产生的电荷关系为：

I=dQ/dt；

Ic=C1*(dVc/dt)=(1+1/A)*C1*(dVo/dt)(5)

Ii=-Ct*(dVi/dt)=(1/A)*Ct*(dVo/dt)(6)

将公式（4）、（5）、(6)代入公式（3）中简化后可得：

Vo=Q/[(1+1/A)*C1+Ct/A](7)；

式（7）中，Q为压电式加速度传感器的输出电荷；Ct为压电式加速度传感器的等效电容Ca和接入该电路电缆电容Cd的总和；C1为运放的反馈电容；C2、C3为IEPE接口变换电路匹配电容；A为运放的开环增益；Vi为压电式加速度传感器的输出电压；Vo为前置放大器输出电压；Vc为反馈电容两端电压；I为加速度计流出的总电流；Ii为流向Ct的电流；Ic为运算放大器反馈回路上的电流。

参阅图2。图2所示是某型号压电振动压电式加速度传感器内置的电荷放大器原理图。在这一方案中，传感器原始的电荷灵敏度Sa为50pC/g，传感器压电陶瓷的电容Ca约为1000pF，则放大器的反馈电容C1可选用500pF的电容。由此可以根据Vo=Q/[(1+1/A)*C1+Ct/A]算出传感器经过电荷放大器后的输出灵敏度Sv将等于：mV/pC。已基本可应用于工业中对振动速度或烈度的测试需要。

Claims (5)

1.一种远距离传输IEPE型电荷放大器，包括电荷放大器和IEPE接口电路，其特征在于，并联于运算放大器A两端的电荷反馈电容器C1和运算放大器A组成电荷放大器，串联电容器C2和场效应管并联电容器C3组成对压电式加速度传感器电荷信号进行放大、阻抗变换和以IEPE方式输出交流电流信号的IEPE接口变换电路,电容器C2、C3为IEPE接口变换电路匹配电容；IEPE型电荷放大器的输入电缆分布电容Cd和输入压电式加速度传感器电容Ca的总和共同等效为Ct，运算放大器A以大于10⁹Ω的高阻抗输入实现阻抗变换，通过C1的反馈作用调节增益，对100km外的压电式加速度传感器输出的电荷信号进行Q/V变换、增益调节、阻抗变换，通过前置放大器和IEPE接口输出负反馈电压V_O=Q//[(1+1/A)*C1+Ct/A]，实现对压电式加速度传感器输出的远距离传输和信号调理，式中：Q为压电式加速度传感器的输出电荷，A为运算放大器的开环增益，I为加速度计流出的总电流。

2.如权利要求1所述的远距离传输IEPE型电荷放大器，其特征在于，当IEPE型电荷放大器的输入电缆小于100m时,Ct的值小于100pF，电荷放大器的输出电压Vo=Q/[(1+1/A)*C1+Ct/A]公式中的Ct/A=0，式中：A为运算放大器的开环增益。

3.如权利要求1或2所述的远距离传输IEPE型电荷放大器，其特征在于，电容C1、C2和C3的范围在1pF～1uF之间。

4.如权利要求1所述的远距离传输IEPE型电荷放大器，其特征在于，IEPE接口变换电路串联在电荷放大器的输出端。

5.如权利要求1所述的远距离传输IEPE型电荷放大器，其特征在于，运用场效应管进行IEPE接口变换，对压电式加速度传感器或等效于压电式加速度传感器输出的电荷信号进行放大、阻抗变换并以IEPE方式输出交流电流信号。