压电式加速度传感器电路原理

2019年32期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application压电式加速度传感器电路原理宁心怡（清华大学，北京100084）本文主要讨论小型设备里的压电加速度计，即振动传感器，从它的原理、供电、放大电路、电压模拟量测量等方面分析其工作原理。

一般的压电振动传感器需要恒流源供电，将加速度转化成电荷变化量，进而转化成电压模拟量再输出，输出后信号需要经过一系列归一化、滤波等处理，最后转化成数字量。

1工作原理压电式加速度传感器属于惯性式传感器，结构如图1所示。

它利用了石英晶体或者压电陶瓷的压电效应，即当传感器有加速度时，内部的质量块会产生力作用于压电片，压电片受力变形时就会在两个表面产生不同极性的电荷。

因此传感器最开始输出的是微弱的电荷，其电荷量与加速度成正比。

在处理传感器的输出信号时，可以把传感器等效为电压源或电荷源。

图1[3]压电式加速度传感器结构2前置放大器压电加速度传感器可以将加速度转换成电压或电荷的变化量。

由于传感器产生的电荷信号较小，容易受到噪声干扰，需要前置放大器进行放大处理。

前置放大器还可以将传感器的高阻抗电荷信号变成低阻抗电压信号。

低输出阻抗使得信号在传输过程中损失很小，测量出来更准确，而且容易被下一级电路接收。

前置放大器有电压放大器与电荷放大器两种。

2.1电压放大器电压放大器电路如图2。

图2[1]压电传感器配电压放大器的等效电路在运放左边的为压电加速度传感器的电压等效电路。

其中R d 是压电元件的漏电阻，C c 是电缆电容，R i 、C i 是输入电阻与电容，U 为输入电压，即压电传感器产生的电压，U o 为输出电压，A u 是放大器的放大倍数。

推导可知电压放大器的输出电压其中R=R i //R d ，C=C c +C i 。

当R 无限大时，ωR （C e +C c +C i ）>>1，则输出电压简化为U o =A u UC eC e +C c +C i摘要：加速度传感器应用十分广泛。

主要应用有故障诊断、振动测试等，包括地震波检测、车祸报警、高压导线舞动、结构动力学研究以及各种设备的振动检测。

生活中也处处可见振动传感器。

手机计步器、玩游戏控制上下左右倾角变化、照相机手抖时自动锁住快门等等，都用到了加速度传感器。

关键词：压电式加速度传感器；电路原理；振动测试中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:2095-2945(2019)32-0042-05Abstract :Accelerometer is widely used.The main applications are fault diagnosis,vibration testing,including seismic wave de ⁃tection,accident alarm,high voltage wire galloping,structural dynamics research and vibration detection of all kinds of equipment.Vibration sensors can also be seen everywhere in life.The acceleration sensor is used in the mobile pedometer,playing games to control the change of inclination angle up and down,automatically locking the shutter when the camera hand shakes,and so on.Keywords :piezoelectric accelerometer;circuit principle;vibrationtesting2019年32期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application可知电压放大器输出电压与传感器产生的电压U 、电缆电容C c 、输入电容C i 、C e 有关。

因此电缆长度一般为固定值，否则电缆电容增加会使输出电压降低，增加误差，影响电压灵敏度。

2.2电荷放大器电荷放大器电路如图3。

图3[1]压电传感器配电荷放大器的等效电路在运放左边的为压电加速度传感器的电荷等效电路。

由于电荷放大器用电容作为负反馈，当A>>1且（1+A ）C f >>（C e +C c +C i ）时，电荷放大器的输出电压U o =-q C f，只与传感器输出电荷q 与电容C f 有关，与电缆电容C c 、输入电容C i 、C e 、信号频率都无关。

两种前置放大器都是高输入阻抗放大器，目的是尽量减少导线与电路的电荷泄漏。

相比起来，电荷放大器的电路较复杂，价格也贵，但它的灵敏度不受电缆电容的影响，在电缆电容较大时测量的信号质量好。

图4为某一种电荷放大器的实际电路。

其中除了主要的电容C2外，剩下的电阻和电容都起到保护或相位补偿防止自激振荡的作用。

其中两个三极管构成OCL 电路，可以增大输出电流，减小交越失真。

图4[4]电荷转换级部分电路图3传感器的供电问题以8711-01加速度传感器为例，它是一款IEPE 加速度传感器，集成了前置放大器，具有测量范围广、频率响应范围大、灵敏度高的特点，可用于工业状况监控与极端环境中。

为了减小电压信号传输时的损失，抑制温度漂移，传感器需要恒定电流源供电，一般为4mA ，其电压在18~24V之内。

4mA 有利于实现加速度计的工作状态辨别。

首先需要18~24V 的电压，如果传感器应用于小型设备时，可能没有如此高的电压，这时需要把5V 的干电池转化为18~24V ，可以采用变压器或升压型稳压电路。

课件里列举了并联开关型稳压电路和电荷泵式开关型稳压电路，应该都可以实现。

图5是其中一种集成升压电路。

图5XL6007常用电路（来源datasheet ）其中用到XL6007芯片，该电路可以将电压转化为18.5~32V 的电压，通过修改R1、R2参数即可将5V 转化成18~24V 。

它是通过电感L 的储能作用与电容C out 的充放电，将感生电动势与输入电压叠加得到输出电压，故而V out >V in 。

若取24V 的输出电压，接着将24V 电压转化为4mA的恒流源，电路如图6。

图6恒流源（来源Circuit Schematic for IEPE Sensors ）此处两个三极管处于放大状态。

设R 1=170赘，U BE1=0.7V ，R 1电流为I ，则输出电流近似等于I ，I=U BE1R 1=0.7170=4.12mA ，符合要求。

总体电路如图7。

在最开始输入的5V 前面加一个1N4002的二极管，用于隔离24V ，防止电流倒灌烧前级。

R3用1W 电阻，额定电流在30mA 左右，过载能力强，当电流约为4mA 时它不会发热。

4输出信号的处理与测量振动传感器输出直流量为12V ，交流量为-5~5V 。

供电方式为两线制，即提供电能的4mA 直流电和输出信号使2019年32期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application用同一根线，这样使得温度漂移特性较小，焊接时也更容易，成本更低。

通过加入电容C3去除直流量，得到交流量。

此时输出的交流量与加速度成正比关系，即U o =A*Sensi -tivity ，A 为加速度，Sensitivity 为灵敏度，指输出电荷/电压与加速度之比，一般通过与标准加速度计对比测试，来标定出具体的值。

灵敏度的大小与传感器内部质量块、压电元件有关。

归一化放大级：由U o =A*Sensitivity 可知，不同传感器灵敏度不同，在同样加速度下输出的电压就不同，为了方便处理数据，可进行归一化处理，并且放大电压。

采用一般的比例放大器即可。

滤波器：由传感器直接输出的信号会有较大噪声，需要滤波器滤波。

通过查阅文献，可知压电振动传感器是欠阻尼的振动系统，它的高频段会产生共振峰，因此需要低通滤波器滤除。

另外输出信号会有一些直流漂移信号，还需高通滤波器滤除。

此外，应用场合不同，高频或低频噪声也不同，因此高通低通滤波器都需要。

滤波器电路的设计多种多样，一般一阶或二阶即可，较为简单，采用课本上最常规的设计，这里就不详细说明了。

输出级：如果要测量出输出信号相应的数值，需要接入合适倍数的放大级或互补功率放大电路，使输出信号能够驱动AD 芯片、示波器或电压表。

其中AD 芯片能将模拟量转化成数字量，应用最为广泛。

放大级可采用同相比例放大器，它的输入电阻高、输出电阻低，适合驱动负载，功率放大电路采用常用的OCL 、OTL 等均可。

其他电路：此外，还需要稳压电路给电路提供直流电压，保护电路防止电路过载。

稳压电路可采用三端稳压器，输出5V 或±15V 的电压驱动运放。

图8是整个电路的原理框图，由外部驱动电路驱动传感器，并通过稳压电路转化成不同电压驱动各级电路，各级电路处理输出信号，最后通过模数转换得到理想的加速度值。

5实验测试本研究使用的是一款IEPE 加速度传感器，由于大部分电路都集成在传感器内部，只需要提供驱动电压与电流，也就是4mA 的恒流源与18~24V 的电压即可。

实验室的直流电源直接可以输出24V ，因此不需要搭升压电路，直接搭恒流源电路，极其简单，只需两个三极管、两个电阻、一个电容。

仿真电路如图9，其中将传感器的输入电阻等效为R3，结果约4mA ，与理论值相符。

图9恒流源电路的仿真实验中笔者成功搭出了该恒流源，并驱动了振动传感器工作。

测得输出电压直流量为12.06V ，符合上面的理论。

虽说驱动电压在18~24V 之间，但笔者发现13V 的电压也能驱动它，说明它对电压的要求并不严格，在低于标准的电压下也能工作，可能只是输出效果没有那么好。

由于没有稳定的振动源，只能通过用手晃动与敲桌子来模拟振动，图10为敲桌面的波形。

后来笔者在实验室找到了小电机，并成功驱动了它。

图7总体电路图8原理框图由于传感器与电机不能紧密吻合，笔者只能强行用手把小电机抵着传感器。

但这毕竟比直接晃动与敲桌子稳定多了，在某些时刻甚至出现了十分稳定的波形，如图11。

笔者想把传感器输出的电压模拟量转化成数字量，可以通过AD 芯片，也可以参考模电综合实验，先将输出-5~5V 交流电压进行全波整流，再滤波成直流电压，通过电压-频率转换电路转化为矩形波，通过FPGA 板测量矩形波的频率，可得到一个数值。

然而如果要得到一个精确的加速度值，需要有一个已知加速度的稳定的振动源，或者是一个标准加速度传感器进行对比测试，调整数值大小，标定出灵敏度，而笔者这两个条件都不具备，因此模拟量转数字量只能处于理论阶段，而实现不了。