压电传感器前置放大器

压电元件的等效电路

压电元件受外力 F 作用时，表面产生电荷 Q。其电极间等效为一个电容，称为压电元件自身电容：

其中 ε 为压电材料的介电常数（单位 F/m），S 为电极有效面积（单位 m²），d 为压电片厚度（单位 m），Ca 单位为 F。

若将压电元件视为电荷源，则等效电路为电荷源 Q 与电容 Ca 并联；若视为电压源，则等效电路为电压源 U 与电容 Ca 串联。开路状态下输出电压为：

Q 单位为 C，U 单位为 V。

为什么必须使用前置放大器

压电元件输出端的内阻抗极大，输出信号又很微弱。若直接接入普通放大或检波电路，传感器产生的电荷会被测量电路的输入电阻迅速泄放，信号无法保持。因此压电式传感器的输出端必须先接入高输入阻抗的前置放大器，再接入后续放大、检波等电路。

前置放大器承担三项任务：

1. 以高输入阻抗减小传感器输出电荷的泄漏；
2. 放大微弱信号；
3. 将高阻抗输出转换为低阻抗输出，便于后续电路处理。

两种输入形式

按输出电压与输入量的比例关系，前置放大器分为两种形式：

• 电压放大器：输出电压与输入电压成正比；
• 电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比。

一体化结构

针对压电式加速度传感器使用长电缆时电缆电容影响灵敏度的问题，可将放大器装入传感器内部，构成一体化传感器。一种实现方式是压电元件由两片并联连接的石英晶片构成，内置超小型阻抗变换器。这样引线非常短，引线电容几乎为零，从而避免长电缆对传感器灵敏度的影响；同时放大器输入端可获得较大的电压信号，弥补石英晶体灵敏度低的缺陷。