设计压电传感器的电荷放大、滤波、电压放大电路的
压电传感器前置放大电路分析
压电传感器前置放大电路分析徐森林;刘学飞;孙攀;崔岢【摘要】介绍了压电传感器的基本工作原理和基本用途，然后分别介绍了两种前置放大电路。
这两种前置放大电路可用以对压电传感器所产生的极其微弱的信号进行直接放大，最后对这两种放大电路的放大原理进行了详细的分析，并通过对比给出了它们的优缺点以及各自所适用的场合。
%The basic working principle and basic purpose of piezoelectric sensor are introduced, and two kinds of preamplifiers are described respectively. Both of them are used to amplify the extremely weak signal produced by the piezoelectric sensor. The amplification principles of two kinds of amplifiers are analyzed in detail, and through the comparison of these two amplifiers, their merits and demerits as well as applicable situations are given.【期刊名称】《物联网技术》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】3页(P27-29)【关键词】压电传感器;电压放大器;电荷放大器;运算放大器【作者】徐森林;刘学飞;孙攀;崔岢【作者单位】西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都 610500【正文语种】中文【中图分类】TN721.1传感器是感知各种信号的最直接工具。
传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计
课程设计说明书题目：压电式加速度传感器的设计学院（系）：电气工程学院课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
目录示例目录第1章摘要 (1)第2章引言 (2)第3章电路仿真及准备作 (3)第4章压电式加速度传感器的参数设计及计算 (12)4.1 结构设计 (12)4.2 电容设计与计算 (12)4.3 其他参数的计算 (12)第5章误差分析 (13)第6章结论 (14)心得体会 (14)参考文献 (15)第一章摘要传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。
传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。
现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。
传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。
压电式传感器是基于压电效应的传感器。
压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。
经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。
压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
第二章引言压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。
电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。
iepe电荷放大电路
iepe电荷放大电路IEPE电荷放大电路（Integrated Electronic Piezoelectric）是一种常用于测量压力、加速度和震动等物理量的电路。
IEPE电荷放大电路的设计和工作原理使得它在工业自动化、航空航天、车辆测试和医疗设备等领域得到广泛应用。
IEPE电荷放大电路由传感器、电荷放大器和滤波电路组成。
传感器是IEPE电荷放大电路的核心部件，它负责将物理量转换为电信号。
传感器通常使用压电材料制成，当受到压力或加速度等物理量的作用时，会产生电荷。
电荷放大器则负责放大传感器产生的微弱电荷信号，使其达到可以被测量和处理的范围。
滤波电路则用于滤除噪声和干扰信号，提高测量的准确性和可靠性。
IEPE电荷放大电路具有许多优点。
首先，它能够在长距离传输信号时保持高质量的信号。
因为IEPE电荷放大电路中传感器和放大器之间采用了电容耦合的方式，这种方式可以消除传感器和放大器之间的电阻和电感对信号传输的影响。
其次，IEPE电荷放大电路具有较高的增益和灵敏度，能够对微弱的电荷信号进行放大和测量。
此外，IEPE电荷放大电路还具有较宽的频率响应范围和较低的噪声水平，能够适应不同频率和幅值的物理量测量。
在实际应用中，IEPE电荷放大电路可以用于测量各种物理量。
例如，在工业自动化中，IEPE电荷放大电路可以用于测量机器设备的振动和冲击，以判断其工作状态和健康状况。
在航空航天领域，IEPE电荷放大电路可以用于飞机结构的振动监测和飞行姿态的测量。
在车辆测试中，IEPE电荷放大电路可以用于汽车底盘的振动测试和悬挂系统的调试。
在医疗设备中，IEPE电荷放大电路可以用于心电图和脑电图等信号的放大和处理。
然而，IEPE电荷放大电路也存在一些局限性。
首先，由于传感器和放大器之间采用了电容耦合的方式，传感器的电荷信号需要通过电缆传输到放大器，因此电缆的长度和质量会对信号传输产生影响。
其次，IEPE电荷放大电路对电源的要求较高，需要稳定的直流电源供电，否则会影响信号的质量和测量的准确性。
传感器题库及答案
传感器题库及答案压电式传感器一、选择填空题：1、压电式加速度传感器是传感器。
A、结构型B、适于测量直流信号C、适于测量缓变信号D、适于测量动态信号2、沿石英晶体的光轴z的方向施加作用力时，。
A、晶体不产生压电效应B、在晶体的电轴x方向产生电荷C、在晶体的机械轴y 方向产生电荷D、在晶体的光轴z方向产生电荷3、在电介质极化方向施加电场，电介质产生变形的现象称为。
A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应4、天然石英晶体与压电陶瓷比，石英晶体压电常数，压电陶瓷的稳定性。
A、高，差B、高，好C、低，差D、低，好5、沿石英晶体的电轴x的方向施加作用力产生电荷的压电效应称为。
A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应 6、压电式传感器可等效为一个电荷源和一个电容并联，也可等效为一个与电容相串联的电压源。
7、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有电压放大器和电荷放大器两种形式。
二、简答题1、什么是压电效应？纵向压电效应与横向压电效应有什么区别？答：某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；所以纵向压电效应与横向压电效应的主要区别在于施力方向不同，电荷产生方向也不同。
2、压电式传感器为何不能测量静态信号？答：因为压电传感元件是力敏感元件，压电式传感器是利用所测的物体的运动产生的相应的电信号，而静态的不能产生相应的电信号。
所以压电式传感器不能测量静态信号。
13、压电式传感器连接前置放大器的作用是什么？答：前置放大器的作用：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。
传感器考试1
1、运算%100minmaxmaxyyLL是计算传感器线性度的公式。
2、要使直流电桥平衡，必须使电桥相对臂电阻值的乘积相等。
3、量程是指传感器在__测量范围__内的上限值与下限值之差。
4、相对误差是指测量的__绝对误差__与被测量量真值的比值，通常用百分数表示。
5、传感器静态特性指标主要有灵敏度、线性度、迟滞性、重复性、漂移等。
6、半导体应变片在应力作用下电阻率发生变化，这种现象称为__压阻___效应。
7、电阻应变片一般由__敏感栅__、基片、覆盖层、引线四个部分组成，其中__敏感栅____ 是核心部件。
8、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称___应变_____效应；半导体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称_______压阻_____效应。
9、电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其工作原理是基于电阻应变效应。
10、半导体应变片工作原理是基于压阻效应效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数大。
11、应变式传感器产生温度误差的原因为电阻温度系数的影响和试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。
通常采用的温度补偿方法有线路补偿法、应变片自补偿法等。
12、电感式传感器是利用_电磁感应__原理，将被测量的变化转化成__电感_____变化的一种机电转换装置。
13、自感式传感器主要有变间隙式、变截面式和螺管式三种类型。
14、差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上由于两线圈的结构及参数不相等，差动变压器输出电压不为零，此电压称为_零点残余电压______。
15、在电感式传感器中，线圈之间的没有耦合的是自感式传感器，被测对象也是磁路一部分的是电涡流传感器。
16、电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为线圈的自感或互感的变化，并通过测量电路进一步转换为电量的变化，进而实现对非电量的测量。
17、电感式传感器根据工作原理的不同可分为自感式、互感式和电涡流式等种类。
压电式传感器 原理
压电式传感器原理
压电式传感器是一种常见的传感器类型，它利用压电效应来检测和转换压力、应变、加速度和力的变化。
压电效应指的是当一些特定的晶体或陶瓷材料受到压力或应变时，会产生电荷的聚集或分离，从而形成电压信号。
这种材料被称为压电材料。
常见的压电材料包括石英、压电陶瓷和聚偏二氟乙烯等。
压电式传感器的工作原理是将压电材料作为传感器的感应元件，当外界施加压力或应变时，材料会发生弹性变形，从而产生电荷的分布变化。
这个变化可以通过电极连接在压电材料上的方式来测量。
为了测量这一电荷信号，压电式传感器通常由压电材料、电极和信号调理电路组成。
当外部压力或应变作用于传感器时，压电材料产生电荷，在电极中产生电压。
信号调理电路会将这个电压信号放大、过滤和转换成可读取的信号，比如电流或电压。
压电式传感器具有许多优势，如高精度、快速响应、宽频率范围和良好的耐用性。
这些特点使得压电式传感器广泛应用于工业控制、机械测量、医疗设备和汽车工程等领域。
值得注意的是，压电式传感器的输出信号与外部压力或应变之间存在一定的非线性关系，因此在实际应用中需要进行校准和补偿。
另外，在选择和使用压电式传感器时，还需考虑适当的电极设计、尺寸选取以及工作环境对传感器性能的影响。
电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别 分别适用于什么场合
电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别分别适用于什么场合电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
多数传感器的感应部分能将机械量转变成微弱的电荷量Q，而且输出阻抗Ra极高。
而通过适配电荷放大器就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。
Ca配接传感器自身电容一般为数千pF，1/2RaCa决定传感器低频下限。
关于“电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别分别适用于什么场合”的详细说明。
1.电荷放大器和电压放大器各有何特点和区别分别适用于什么场合电荷放大器电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
多数传感器的感应部分能将机械量转变成微弱的电荷量Q，而且输出阻抗Ra极高。
而通过适配电荷放大器就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压，并将高输出阻抗变为低输出阻抗。
Ca配接传感器自身电容一般为数千pF，1/2RaCa决定传感器低频下限。
电压放大器（Voltage Amplifier）是提高信号电压的装置。
对弱信号，常用多级放大，级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，要求放大倍数高、频率响应平坦、失真小。
当负载为谐振电路或耦合回路时，要求在指定频率范围内有较好幅频和相频特性以及较高的选择性。
电荷放大器和电压放大器各有何特点1、在使用压电晶体传感器的测试系统中，电荷放大器能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能够将传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出。
电压放大器能将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大。
2、电压放大器为了与传感器匹配需要高输入阻抗，因此，抗干扰能力不足；电荷放大器的输出电压与输入电荷量成正比，因而，信噪比高。
3、电压放大器带宽、灵敏度受传感器线路电容量限制；电荷放大器只与电量有关，所以，频带宽，灵敏度也高。
4、在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则，在传感器过载时，会产生过高的输出电压。
实验 压电式传感器实验
实验压电式传感器实验实验项目编码：实验项目时数：2实验项目类型：综合性（）设计性（）验证性（√）一、实验目的本实验的主要目的是了压电式传感器的结构特点；熟悉压电传感器的工作原理；掌握压电传感器进行振动和加速度测量的方法。
二、实验内容及基本原理（一）实验内容1．压电传感器进行振动和加速度测量的方法（二）实验原理压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1．压电效应：具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1 (a) 、(b) 、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)图1 压电效应2．压电晶片及其等效电路多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如2(b)所示。
其中ea=Q/Ca 。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
测试技术与信息处理第章习题与答案
一、判断题(本题共10分，对则打“√”，不对则打“×”)1．压电传感器的电压灵敏度及电荷灵敏度不受外电路的影响。
(√) 2．将传感器做成差动式可以提高灵敏度、改善非线性、实现某些补偿。
(√) 3．压电式传感器在后接电荷放大器时，可基本消除电缆电容的影响，而且可以实现对变化缓慢的被测量的测量。
(√) 4．只要保证两组相对桥臂阻抗大小之积相等这一条件，就可使直流电桥及交流电桥达到平衡。
(×) 5．磁电式传感器由于存在运动部分，因此不能用于高频测量。
(×) 6．测量小应变时，应选用灵敏度高的金属应变片；测量大应变时，应选用灵敏度低的半导体应变片。
(√) 7．由于霍尔式传感器输出的霍尔电势与控制电流及所处的磁场强度的乘积成正比，因此可用作乘法器。
(√) 8．压电式传感器的电荷灵敏度与外电路（连接电缆、前置放大器）无关，电压灵敏度则受外电路的影响。
(√) 9．用差动变压器式电感传感器测量位移时，直接根据其输出就能辨别被测位移的正负极性。
(×) 10．半导体应变片的灵敏度比金属应变片高，线性和稳定性也比后者好。
(×) 11．差动螺管式自感传感器与差动变压器式互感传感器的结构相似，都是把被测位移的变化转换成输出电压的变化。
(×) 12．由于线圈可以做得比较轻巧，因此动圈式磁电传感器可以用来测量变化比较快的被测量，而动铁式磁电传感器则不能。
(×) 13．压电式传感器的电荷灵敏度只取决于压电材料本身，而电压灵敏度则还与外电路的电气特性有关。
(√) 14．测量小应变时，应选用金属丝应变片，测量大应变时，应选用半导体应变片。
( × )15．测量小应变时，应选用灵敏度高的金属丝应变片，测量大应变时，应选用灵敏度低的半导体应变片。
(√) 16．作为温度补偿的应变片应和工作应变片作相邻桥臂且分别贴在与被测试件相同的置于同一温度场的材料上。
(√) 17．交流电桥可测静态应变，也可测动态应变。
基于压电传感器的放大电路分析
【关键词 】压 电传感器；放 大电路 ；压电效应 ；石油
０ 引言
（２） 电荷放 大器 ：其输 出 电压 与输 入 电荷 成正 比 电压 放 大器 和 电荷放 大器 的等 效原 理 图如 图１所 示 。
压 电 式传 感 器 是 一 种 电量 型 传 感 器 ， 由于 压 电元 件 不 仅 具 有 自发 电和 可逆 两 种主 要 性能 ，还 具 有体 积 小 ，重量 轻 ，结 构 简单 ， 固有频 率 高 ，灵 敏度 和信 噪 比 高等优 点，所 以压 电式 传感 器 飞速 发 展 ，在 石 油 方 面 应 用 也 十 分 广 泛 ，近 几年 随着 石 油 勘 探 工 作 的深 入 ，面 对 复 杂 的地 形 ， 压 电 传感 器 作 为 首 先 元 件 ，应 用 于 石 油 测 井 、 浅海 勘探 等 石油 勘探 领 域 ，也 取得 了优 异 的成 果 。利 用好 压 电 式传 感 器 最核 心 的部 分还 是 放大 电路 的设计 ，一般 来 说压 电传 感 器 的输 出信 号非 常 的微 弱 ，并 且传 感器 本 身输 出 阻抗 高 ，为 了减 小 测 量 误差 ，我们 必 须接 很大 的负载 阻 抗 ，所 以 ，通 常我 们会 将传 感 器 的输 出信号 接 到高 输入 阻抗 的前置放 大 电路 中。
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探索与观察
基 于压 电传 感 器 的放 大 电路分 析
西安石油大学电子工程学院 陈阳正 邢亚敏 李玉凤 王炳友 朱清溪 罗紫薇
【摘要 】压电式传感器是压电地震检波器系统设计的核心 ，为了提 高传感器的灵敏度 ，减 少测量误差 ，需要将压 电式传感器输出的微弱信 号 进 行 放 大处理 ，本文就 基 于压 电 式传 感器 的放 大 电路 展 开 分析 和研 究 ，介 绍 了压 电式 传感 器 的工 作原 理 ，分析 了放 大 电路 原 理 ，对 电压放 大 电路 和 电荷放 大 电路 的分 析 。
机械工程《传感器与检测技术》测试技术实验指导书
机械工程《传感器与检测技术》测试技术实验指导书机械工程测试技术实验指导书——传感器与检测技术罗烈雷编机械工程系机械工程测试技术实验指导书——传感器与检测技术一、测试技术实验的地位和作用《传感器与检测技术》课程，在高等理工科院校机械类各专业的教学打算中，是一门重要的专业基础课，而实验课是完成本课程教学的重要环节。
其要紧任务是通过实验巩固和消化课堂所讲授理论内容的明白得，把握常用传感器的工作原理和使用方法，提高学生的动手能力和学习爱好。
其目的是使学生把握非电量检测的差不多方法和选用传感器的原则，培养学生独立处理问题和解决问题的能力。
二、应达到的实验能力标准1、通过应变式传感器实验，把握理论课上所讲授的应变片的工作原理，并验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
2、通过差动变压器静态位移性能测试和差动变压器零点残余电压的补偿电路设计，把握理论课上所讲授的差动变压器的工作原理和零点残余电压的补偿措施。
3、通过电涡流式传感器的静态标定和被测体材料对电涡流式传感器特性的阻碍实验，把握理论课上所讲授的电涡流式传感器的原理及工作性能，验证不同性质被测体材料对电涡流式传感器性能的阻碍。
4、通过差动面积式电容传感器的静态及动态特性测试，了解差动面积式电容传感器的工作原理及其特性。
5、通过磁电感应式传感器的性能和霍尔式传感器直流静态位移特性的测试方法，把握磁电感应式传感器的工作原理及其性能和霍尔式传感器的工作原理及其特能。
6、通过压电式传感器的动态响应和引线电容对电压放大器与电荷放大器的阻碍实验，把握压电式传感器的原理、结构及应用和验证引线电容对电压放大器的阻碍，了解电荷放大器的原理和使用方法。
7、通过光敏三极管和光敏电阻的性能测试，把握光电传感器的原理与应用方法。
8、热电偶和热敏电阻的性能测试的方法，把握热电偶的原理和 NTC 热敏电阻的工作原理和使用方法，并对传感器灵敏度线性度进行分析。
9、通过差动放大器和低通滤波器设计和测试，把握差动放大器和滤波器的设计方法和性能测试方法。
传感器技术及应用习题及答案
综合练习 一. 填空题1．根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即.敏感元件、转换元件、转换电路。
2．传感器按能量的传递方式分为有源的和无源的传感器。
3. 根据二阶系统相对阻尼系数ζ的大小，将其二阶响应分成三种情况. 1ζ>时过阻尼；1ζ=时临界阻尼；1ζ<时欠阻尼。
4. 应变计的灵敏系数k 并不等 于其敏感栅整长应变丝的灵敏度系数0k ，一般情况下，0k k <。
5. 减小应变计横向效应的方法.采用直角线栅式应变计或箔式应变计。
6. 应变式测力与称重传感器根据结构形式不同可分为:柱式﹑桥式﹑轮辐式﹑梁式和环式等。
7. 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为压阻效应。
8. 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
9. 光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应和内光电效应两类。
10. 基于外光电效应的光电敏感器件有光电管和光电倍增管。
基于光电导效应的有光敏电阻。
基于势垒效应的有光电二极管和光电三极管。
基于侧向光电效应的有反转光敏二极管。
11. 光电倍增管是一种真空器件。
它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。
12. 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。
它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。
13. 光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下.遮住窗口，选用万用表R*1K 挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷大的为光电三极管。
14. 光电耦合器是发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。
以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。
15. 电荷藕合器件图像传感器CCD （Charge Coupled Device ），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷。
中国计量大学803传感器技术1 2011--2020年考研初试真题
中国计量大学2020年硕士研究生招生考试试题考试科目代码：803 考试科目名称：传感器技术1所有答案必须写在报考点提供的答题纸上，答在试卷或草稿纸上无效。
一、填空（每空1分，共1×30=30分）1. 传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得输入输出特性曲线不一致的程度是传感器静态特性中的；该特性的标定是通过对传感器进行正、返行程往复循环多次的测试实现的，一般测试次数为次。
2. 为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，因而电阻变化量也就小得多。
利用四个相同阻值的应变片进行传感测量，采用电桥电路可以得到最大的电桥输出电压灵敏度，同时具有严格的输入输出线性关系。
3. 差动互感式传感器又称，在使用过程中由于存在现象，需要在设计和工艺上进行改进，同时也可以通过电路方式进行补偿。
4. 消除电容传感器寄生电容的影响，可以采用技术和技术来实现，前者可使电缆线长达10m也不影响传感器的性能，后者利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容。
5. 霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加，这种现象称为效应，它会使霍尔输出电压降低，必须采用一些方法予以补偿。
霍尔元件的零位误差主要包括不等位电动势和。
6. 磁电感应式振动速度传感器中的阻尼器主要作用是和。
7. 压电转换元件的主要缺点是无静态输出、、需要低电容的低噪声电缆。
一般来说，与压电元件配套的测量电路应具有前置放大电路模块，其作用一是放大压电元件的微弱电信号，其作用二是。
《传感器技术1》试卷 第1 页 共7 页8. 外光电效应中，要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，此时对应临界波长为λk，若有另一种材料发生外光电效应时的逸出功为2A0，则临界波长应为。
某一光电探测器的特性曲线中，横坐标是光通量，纵坐标是光电流，这是光电探测器的特性；横坐标是光波长，纵坐标是光电流，这是光电探测器的特性。
传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计.
燕山大学课程设计说明书题目：传感器转换电路仿真及电荷放大器转换电路设计学院（系):年级专业：学号：学生姓名：**指导教师：陈颖朱丹丹教师职称：副教授讲师第一章摘要摘要电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
电荷放大器可配接压电加速度传感器。
其特点是将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗Ra极高。
电荷变换级是将电荷变换为与其成正比的电压,将高输出阻抗变为低输出阻抗。
本文介绍了一种电荷放大器的设计结构及其工作原理,阐述了实验样机的工作模式,给出了实验样机的实验结果。
关键词。
压电传感器；电荷放大器；放大器设计第二章引言引言随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。
非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的振动信号，在实际生活中振动信号的大小经常用加速度来度量，加速度一般通过压电加速度传感器进行测量。
它能将传感器输出的微弱电荷信号变换成放大了的电压信号，同时又能将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。
压电加速度传感器的输出需经电荷放大器进行变换（即电荷．电压转换），方可用于后续的放大、处理，因此电荷放大器是加速度测量中必不可少的二次仪表，设计性能良好的电荷放大器具有重要意义第三章 基本原理1、工作原理分析图1 是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路[2 ] .图中Ca 为压电传感器等效电容, Cc 为连接电缆电容, Ci 为放大器的输入电容, Ra 为压电传感器的绝缘漏电阻, Ri 为运算放大器的输入阻抗, Cf 是放大器的反馈电容, Rf 为并联在反馈电容两端的漏电阻.在电荷放大器中采用电容负反馈, 对直流工作点相当于开路,对电缆噪声比较敏感, 故放大器零漂较大而产生误差,为减小零漂,使放大器工作稳定, Rf 选阻值非常高的电阻(约1010 - 1014Ω) ,以提供直流反馈。
压电传感器放大电路设计
．
ｅ
．
ｎ ｔ ａ ｌ ／
一
压 电传 感器放大 电路设 计
陈 玉 伟 ，张 丛
（ 青 岛航 天半导体 研究所有限公司 ，青 岛
２ ６ ６ ０ ７ １ ）
摘 要 ：为 了提高压 电传感器 的固有 频率，减小传感器 的体积 ，采用高输入 阻抗 的仪表放大器 ，设计研 究了用于压 电传 感器 的放大 电路 ，通 过改变放大 电路输入 回路偏置 电阻的 电阻值 ，得 到了比常规 方法更加简单 、有 效的简单放大 电路， 实现 了小体 积下的一体化压 电传感器较好 的频率响应和 良好 的线性度 。 关键词 ：压 电：传感器 ；电路设计
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｐｉ ｅ ｚ ｏ ｅ １ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ： ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ： ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
引言
压 电传感 器是用 于动态 测量 的传感 器 ，虽有 低频 响 应差 、 不 能测 量静态信号的缺点 ， 但 与压 阻传感器 相 比，
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｐ ｉ ｅ ｚ ０ ｅ １ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍ ｅ ｏ ｆ
Ｂｙ ｃ ｈａ ｎｇｉ ｎｇ ｔｈ ｅ ｖ ａｌ ｕｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ａｍ ｐｌ ｉ ｆｉ ｃａ ｔｉ ｏｎ ｉ ｎ ｐｕｔ ｃｉ ｒｃ ｕｉ ｔ ｂｉ ａｓ ｒｅ ｓｉ ｓｔ ｏｒ ， ａ ｎ ａ ｍｐｌｉ ｆｉ ｃ ａｔｉ ｏ ｎ ｃｉ ｒ ｃｕｉ ｔ ｍｏ ｒｅ
压电传感器的等效电路
压电传感器的等效电路压电传感器是一种常用的传感器，其原理是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能，实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电传感器的等效电路一般由压电传感元件和相关电路组成。
压电传感元件一般采用压电陶瓷材料，主要由触发板、压电陶瓷片和底座组成。
触发板是用来接受外部压力或力的作用，将机械能转换为压电效应；压电陶瓷片是压电元件的核心部分，负责将机械能转换为电能；底座是固定压电陶瓷片和触发板的支撑结构。
压电传感器的等效电路可分为感应电路和放大电路两部分。
感应电路主要是将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号，常用的感应电路有放大电荷放大器和运算放大器。
放大电荷放大器一般由前置放大电路和后置放大电路组成，前置放大电路用于对由压电陶瓷片产生的微小电荷进行放大，后置放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行进一步放大。
运算放大器一般采用差分放大电路，通过将压电陶瓷片产生的电压信号与参考电压进行差分放大，得到输出电压信号。
放大电路输出的电压信号一般较小，为了进一步增强信号强度和减小噪声，需要使用放大器进行放大。
常用的放大器有运算放大器和分立元件放大器。
运算放大器是一种常用的放大器，具有高增益、低失真和高输入阻抗等特点，可以将输入信号放大几十倍甚至更多。
分立元件放大器则是通过使用晶体管、场效应管等分立元件构成，具有较高的功率输出和较低的噪声水平。
压电传感器的等效电路还需要包括一些辅助电路，如滤波电路和稳压电路。
滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声，使得输出信号更加清晰和准确。
稳压电路用于稳定电压信号，避免由于电源波动等原因对传感器输出的影响。
总的来说，压电传感器的等效电路主要由压电传感元件、感应电路、放大电路和辅助电路组成。
其中感应电路将压电传感元件输出的电荷信号转换为电压信号，放大电路对输出信号进行进一步放大，辅助电路保证电路的稳定性和准确性。
这些电路的设计和优化将直接影响到压电传感器的测量精度和稳定性。
传感器原理与工程应用考试题库
传感器原理与工程应用习题一、单项选择题1、在整个测量过程中,如果影响和决定误差大小的全部因素（条件）始终保持不变,对同一被测量进行多次重复测量，这样的测量称为（ C ）A．组合测量 B．静态测量C．等精度测量 D．零位式测量1。
1在直流电路中使用电流表和电压表测量负载功率的测量方法属于( B ）.A. 直接测量B. 间接测量C。
组合测量 D。
等精度测量2、1属于传感器动态特性指标的是（ B ）A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移2．1不属于传感器静态特性指标的是（ B )A．重复性 B．固有频率 C．灵敏度 D．漂移2。
2 以下那一项不属于电路参量式传感器的基本形式的是（ D ）。
A。
电阻式B。
电感式C。
电容式D。
电压式2.2传感器的主要功能是（ A ).A。
检测和转换 B。
滤波和放大C. 调制和解调D. 传输和显示3。
电阻式传感器是将被测量的变化转换成（ B )变化的传感器. A。
电子 B.电压C。
电感 D.电阻3。
1电阻应变片配用的测量电路中，为了克服分布电容的影响，多采用（ D ).A．直流平衡电桥 B．直流不平衡电桥C．交流平衡电桥D．交流不平衡电桥3。
2电阻应变片的初始电阻数值有多种，其中用的最多的是（ B ).A、60ΩB、120ΩC、200ΩD、350Ω3。
3电阻应变片式传感器一般不能用来测量下列那些量( D )Ａ、位移Ｂ、压力Ｃ、加速度Ｄ、电流3.4直流电桥的平衡条件为（ B )A．相邻桥臂阻值乘积相等 B．相对桥臂阻值乘积相等C．相对桥臂阻值比值相等 D．相邻桥臂阻值之和相等3。
5全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（ C ）。
A。
不变 B。
2倍C。
4倍 D. 6倍3.6、影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是（ B ）.A．导电材料电阻率的变化B．导电材料几何尺寸的变化C．导电材料物理性质的变化D．导电材料化学性质的变化3。
7、产生应变片温度误差的主要原因有（A、B ）.A．电阻丝有温度系数B．试件与电阻丝的线膨胀系数C．电阻丝承受应力方向不同D．电阻丝与试件材料不同3。
压电传感器的等效电路
压电传感器的等效电路压电传感器是一种将压力、力或加速度转化为电信号的装置。
它基于压电效应，即某些晶体材料在受到外力时会产生电荷极化，进而产生电压差。
压电传感器可以广泛应用于工业、医疗、汽车等领域，用于测量和监控各种物理量。
为了更好地理解压电传感器的工作原理，可以使用等效电路来描述其电特性。
等效电路是将复杂的实际电路简化为包含少量电子元件的理想电路，从而更好地分析和设计系统。
一个常见的压电传感器等效电路包括以下元件：1. 压电传感器元件：代表了压电材料，这是一个非线性元件。
当受到外力时，压电材料产生电荷极化，相当于一个电容器。
压力或力的大小直接影响电荷极化的程度。
2. 线性电容：用来表示压电传感器元件的电容特性。
压电材料的电容与材料的形状、尺寸和压力有关。
线性电容对应于压电材料在工作范围内的线性电容变化。
3. 初级电感：代表了压电传感器元件的机械弹性和惯性。
由于压力的变化会导致压电材料的变形，因此也会产生一个机械振动系统。
这个机械振动系统相当于一个电感器。
4. 负载电阻：用来表示外部电路的负载。
这个负载电阻通常是一个电阻或电阻网络，用来提取和测量压电传感器元件的输出信号。
在这个等效电路中，可以通过网络分析方法来确定压电传感器的频率响应、电容变化和输出电压。
另外，还可以通过添加其他元件来改进等效电路的性能。
例如，可以添加滤波电容和滤波电阻来滤除噪声信号。
可以添加运放放大器和反馈网络来提高信号放大和稳定性。
还可以添加校准电阻和补偿电阻来对传感器的非线性特性和温度漂移进行校正。
除了等效电路，还可以使用传递函数、频率响应和Bode图等方法来分析和描述压电传感器的特性。
综上所述，压电传感器的等效电路是描述其电特性的理想化模型。
通过等效电路分析，可以更好地理解压电传感器的原理和性能，并且可以进行系统设计和优化。
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压电传感器前置放大电路的设计
姓名：陈贤波 学号：SX1201139
一：电荷放大电路
电荷放大器原理：电荷变换是该电荷放大器的核心部分，是一个具有电容负反馈的，输入阻抗极高的高增益运算放大器。
它与压电式传感器及其电缆构成的等效电路如图-1所示。
图-1压电式传感器及其电缆构成的等效电路
其中：a C 为压电传感器的等效电容，a R 为压电式传感器的等效绝缘漏电阻，Cc 为电缆等效电容，i C 为放大器的输入电容，i R 为放大器的输入阻抗，f C 为反馈电容，n U 是等效输入噪声电压，off U 是等效输入失调电压。
如将f C 折算到输入端，其等效电容为（1+K ）
f C ，K 为运放的开环增益。
由于反馈电容、传感器电容、电缆电容及放大器电容并联，不
计算噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为
（）
运算放大器的开环增益K 很大（约为104
~106
），故f R K /)1(+远大于+，f C K )1(+远
大于，此时， ， ， 和都可以忽略不计，即压电传感器本身的电容大小和电缆长短对电荷放大器输出的影响可以忽略。
(1)o f
KQ
U C K C =-
++ （）
式中C=a C +Cc +i C 因为放大器是高增益的，K >>1,所以一般情况下（1+K ）f C >>C,则有
o f
Q
U C ≈-
（）
上式表明，当反馈电容f C 一定时，电荷放大器的输出电压与传感器产生电荷成正比，在实际电路中，考虑到电压灵敏度和量程的问题，一般f C 的值在100~10000pF 范围内选择。
,本设计选定10000pF ，即10nF 。
当开环增益A 很大，f R K /)1(+远大于+，f C K )1(+远大于不能忽略，（2..19）式可表示为：
jw G C Q C K jw R K
jwKQ U f f f
+-=
+++-=
f 0)1(1 （）
当频率够低时，jw G f 就不能忽略。
因此式（）是表示电荷放大器的低频响应。
F 越
低，f f
C w G =时，其输出电压幅值为：
可以看出，这是截止频率点电压值电压输出值，即相对应的下限截止频率为 f
f H C R f π21
=
若忽略运放的输入电容和输入电导，同时忽f G ，则上限频率为：
)
(21
c S C L C C R f +=
π （）
其中C R 为输入电缆直流电阻，本设计设为30Ω。
本设计选用f R 为1000MEG,经计算z L H f 016.0=。
传感器参数：压电传感器PZT 压电常数 d 33=450PC/N, d 31=-265PC/N, 相对介电常数2100 ，故压电传感器固有电容为：
nF S
C r s 717.30==
δ
εε 若传感器输入电缆分布电容为m pF 100，设有100m ，则nF C c 10=。
=H f ×5
10z H 。
要测的信号频率范围：1Hz~5KHz ，故满足要求。
压电传感器PZT压电常数 d33=450PC/N, d31=-265PC/N, 传感器配重10克，加速度范围0~10g，d，电荷G公式为:
本设计选用
33
Q•
=
d
F
33
故所测量的电荷范围为0~441pC。
本设计电荷放大器仿真电路如下图-2所示，仿真结果如图-3所示，结果分析如表-1所示。
图-2 电荷放大器电路
图-3 电压输出仿真
二：滤波电路
在实际检测过程中，由于外部干扰信号、外部环境的变化等因素的影响，噪声信号会叠加在有用的低频信号中在输出端输出。
为此，电荷放大器的设计中必须选用一种合适的滤波器对输出信号进行必要的处理。
巴特沃斯型滤波器具有最好的的平坦效应，在通带内和阻带内没有波纹。
由于传感器输出的信号很小，本文选用巴特沃斯滤波器。
查表得，增益为2时，
图-4低通滤波器
图-5 低通滤波器截止频率为5kHz时幅频特性曲线
由于前面仿真结果有很大的偏置，故本设计需要滤除低频信号，本设计选用最简单的高通滤波器，即一介无源高通滤波器。
设计要求信号频率范围是：1Hz~5KHz，根据
RC w c
π21
= （）
选用100uF 的电容，的电阻。
三：反相放大保护输出
此级电路主要作用是实现输出电压信号与电荷信号相位同步和二级放大，由于电荷转换级本身是一个积分器电路，输入输出端的电压相位会反向，保持电荷放大器输出电压和输入电荷成比例放大。
因为电路电阻的不完全匹配等问题，电路放大倍数并不十分准确，通过调节该电路对电压进行两级放大和补偿校准，如图-6电路所示，调节电位器1R ，可以使输出电压在增益0~10倍之间任意变化。
同时通过输出端的双限稳压管，防止输出电压超出后续接入的PXI 系统输入电压上下限。
起到保护数据采集卡的作用。
图-6 反相放大电路
总仿真电路图如图-7所示，仿真结果如图-8所示，结果分析如图-9所示。
图-7总仿真电路图
图-8 最终仿真结果
表-2 最终仿真数据分析
四：数据采集
本设计采用基于PXI采集卡进行采集，软件用Labview进行编程，程序如图-9所示。
图-9 采集程序。