压电传感器前置放大电路分析

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。
关键词：压电传感器；电压放大器；电荷放大器；运算放大器

0 引言
传感器是感知各种信号的最直接工具。自产业革命以来，各式各样的机器不断地出现，代替了以前很多由人直接从事的劳动，人类社会也因此逐步进入了工业社会时代。为了改善机器的性能以及提高机器的智能化程度，需要实时地测量反映机器工作状态的信息，并利用这些信息去控制机器，使之处于最佳工作状态。为了便于测量和控制，传感器就成了必不可少的信号拾取工具，它能将各种被测控量(信息)检出并转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号(一般为电信号)。
目前，传感器种类繁多，几乎各个领域都有传感器的影子。在众多的传感器中，压电传感器以其具有工作频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、体积小、重量轻等特点，被广泛应用于工程力学、电声学、生物医学等领域的动态测量。
弄清压电传感器的工作机制及信号调理电路，对于更好地使用压电传感器进行各种测试具有十分重要的意义。

1 压电传感器的工作原理
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，在沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就会产生极化现象，同时，它的两个对应晶面上便会产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应，图1所示是压电效应示意图。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，如果外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英晶体和各种压电陶瓷材料。

2 压电传感器前置放大电路
2．1 压电传感器等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时，它也看作一个电容器。图2所示是压电传感器的等效电路，其电容量为：

式中，S为压电片极板面积；h为压电片厚度：εr为压电材料的相对介电常数；ε0为空气介电常数，ε0=8．85×10-12F／m。