压电薄膜传感器的原理和实用电路设计.docx

压电薄膜传感器的原理和实用电路设计加速度计可以用在仪表中，测量加速度（速度对时间的变化率）和测量倾斜度 （物体的纵轴和与地球外表相切的平面的垂线之间形成的倾角）。倾斜度测量 可以被看成“直流”或稳态测量。在理论上，加速度可以是稳态的，但在实际 应用当中，加速度通常是一个短期的暂时现象。在非倾斜应用（短时加速）中，可以将压电检波器或压电薄膜传感器用作传感 器。任何类型的压电传感器都有一个与电容串联的交流电压源等效电路（加上 其他会产生二阶效应的电抗元件，不在此进行分析）。典型的容值为几百皮法 到几纳法。电压源的电容耦合就是为什么器件不能提供稳态的倾斜度测量的原 因。上面提到的等效电容，再加上输入或后继的放大或缓冲电路的分流电阻就构成 了一个单极高通滤波器（HPF）。在最好的情况下，如果分流电阻越大，高通滤 波器中极点的时间常数越长。这就意味着，在时间常数效应削弱测量前，可以 对加速度进行测量的时间较长。从实用性的角度出发（考虑到器件的可用性），可以选用1GQ的阻值。由于这 个电阻值很大，所使用的放大器必须具有非常低的偏置或泄漏电流，最好能达 到IpA的级别。图I是一个实用电路的电路图。压电薄膜传感器是器件XI。在原型设计当中， 使用了测量专用的LDTM-028K器件。这个传感器的一端已经施加了一个很小的 重力，在这端再增加大的重力，可以提高灵敏度。传感器通过R1连到运放U1 的非反向输入端，R1可防止过压对运放的输入造成损害。如果传感器承受的加 速度非常高（如重击），就很可能发生这种情况。R1也可以用来减小来自XI 的信号幅值。这个电路中的R1是1G。R2是输入分流电阻，IpA的泄漏电流 会流过R2,其数值也是1GQ,产生ImV的偏置电压（加到运放的实际偏置电压 上）。R2接2.5V的参考电压，设定运放的静态输出电压。运放是ISL28158（或任何其他具有超低输入偏置/泄漏电流的器件）。运算放大器使用+5V DC 电源供电。直流增益由R3和R4设定，在这个电路中是+2V/V。luF的电容器（C3）构成了低通滤波器，减小了电路对更高频振动的响应。这里最好用薄膜 电容器，因为陶瓷电容器可能引入附加的讨厌的压电效应（即常说的颤噪效 应）。如果需要额外的低通滤波，在运放的输出端，即图中的R5和C4,可以 增加一个额外的极点。57把XI安装到电路板上, 加速度的方向上弯曲。这样重力就会加到电路板的下面，传感器会在所要测量调小R1可提高灵敏度。调整C3和C4可改变低通滤波器的时间常数。