2系统硬件电路设计
2.1压电陶瓷传感器的等效电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为
crcoscn??式中 S——极板面积；
Cn——压电材料相对介电常数； c。——真空介电常数； 3——压电元件厚度。
当压电刀件受外力作用时，两表面产生等量的正，负电荷Q，压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无穷大）u为
QU?Cn
这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Cn的等效电路。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图2-1a所示，也可以等效为—个电压源，如图2-1b所示。
Ca
QCaua=Q/Caua=Q/Cau0
图2-1 压电传感器的等效电路
压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。图2-2画出了压电传感器完整的等效电路。
图2-2 压电传感器实际的等效电路
QCaRaCcRiCiQCaRaCcRiCi2.2 电荷放大电路
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分市电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此义发展了便于远距离测量的电荷放大器、目前它已被公认是一种较好的冲击测量放大器。这种放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，其等效电路如图6—11所示。图中已把R。、Rl看作是无限大，而加以忽视，这样当容抗远小于电阻Rf折到输入端的等效阻抗时，可有下式成立：
?kQU0?Ca?Cc?Ci?(1?k)CF当K足够大时，(1?k)CF??(Ci?Cc?Ca)，因此有
?QU0?
CF式中CF——反馈电容。
电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的Ca和电缆的Cc与Rc：
fH?1
2?Rc(Ca?Cc)由于Ca、Cc、Rc通常都很小，因此高频上限fH可高达180kHz。
电荷放大器的低频下限，由于A相当大，通常（1＋A）Cf>>C，Rf/（1＋A）< fL?1 2?RfCf 它与电缆电容无关。由于运算放大器的时间常数RfCf可做得很大，因此电荷放大器的低 频下限fL可低达10-1～10-4Hz（准静态）。 图2-3压电传感器与电荷放大器连接的等效电路 RfCfNQCaRaCcRiCi 图2-4为电荷放大器原理框图，它主要由六部分组成，其中主电荷放大级是整个仪器的核心，它又包括高阻输入级、运算放大级、互补功放输出级三部分。互补功放输出级使电路提供给Cf以必要的反馈电流。适调放大级的作用是当被测量（加速度或压力）一定时，用不同灵敏度的压电元件测量而有相同的输出，实现综合灵敏度的归一化，便于记录和数据处理。滤波器备有不同截止频率的分档，依据实际情况选择。 图2-4 电荷放大器原理框图 需要指出，电荷放大器虽然允许使用很长的电缆，并且电容Cf变化不影响灵敏度，但它比电压放大器的价格高，电路较复杂，调整也比较困难。 2.3 测量电路 测量电路如图2-5所示。图中的模拟测量电路由两级放大器组成。 图2-5 微振动测试仪电路图 AD544L组成一个电荷放大器，它的输入为电荷，输出为电压，也是一个Q/V转换器，它的输出为Vo1?-12Q0,传感器受到1g加速度的作用，它产生的电压，理C1?12论值为Vo1??10000?10C/300?10F??33V（实际上，1g的加速度使运 放的输出为饱和值Vs），即放大器AD544L的灵敏度为 ?33V/g??33.7mV/gal(1gal?1/980g?1cm/s) 2电荷放大器的频率响应由反馈电容C1和反馈电阻R1确定。其截止频率为 fo?1/2?R1C1?0.053Hz 在0.1Hz时，输出约下降1dB。RB为运放AD544L的输入保护电阻，避免AD544L的输入过高而损坏。 ?A776是一个反相放大器，其闭环增益为 ?RRA??R4F22P1 调整电位器RP1可使AF2=1.48，因此，?A776的输出灵敏度为 (?1.48)?(?33.7mV/gal)?50mV/gal
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