电荷放大器

电荷放大器

• 电荷放大器来历

在很多压电测试场合，需要把电荷量的信号转换成电压或电流的信号，此时，就需要用到一种特殊的放大——电荷放大器。比如压力传感器、振动传感器。

• 电荷放大器的原理

利用放大器输入虛地的概念，把电荷信号直接积分到电路中的积分电容， 从而放大器的输出，便是所有电荷量的总和的输出。在电荷转换完成的同时，输入端的电荷将 会被耗尽。 现实中电荷放大器的不理想性，因为任何电子放大器本身都存在偏置电压偏置电流，且积分电 容本身存在漏电阻，从而导致了在电荷转换出现误差，并且在电荷转换完成后，积分电容也会 因为以上因素而随着时间的偏移而上下浮动。

• 电荷放大器分类

1.直流电荷放大器：
使用于测量一个一个缓慢变化的电荷量。但其最大的缺点是非理想放大 器漏电流偏置电流等会同时造成测量的结果缓慢的持续的注入，随着时间的推移，误差越大， 直到放大器完全的饱合。理想的放大器可以解决此问题，但价格动辄数万元。 折中的办法是：在普通的直流电荷放大器中，加入积分放电电路，在每次测量前，对电容进行 放电至0输出。
2.交流电荷放大器：
常用于测量来回变化的电荷量。也是目前使用最广，用量最多的类型。 其原理就是在直流电荷放大器的积分电容的两端加一个几百兆甚至上G的放电电阻。放大器漏 电流偏置电流等与这个放大电阻比起来，已是影响很小，所以接近于理想值。但也可以从它的 结构原理看出，它不适合于测试过于低频的信号，因为电荷频率低时，电荷积分《电阻对积分 的放电。所以一般用于测量大于50Hz的频率。如果要测试更低的频率，可增加放电电阻的 值，并选择更大电荷量的电荷传感器。

• 交流放大器应用要点

压电陶瓷，加速度传感器等，需要是电荷型；（目前市场上有电流输出型，电流输出型精度不高）
正弦等有规律的测试，测量点的有效值为峰峰值；
如果为单脉冲测试，有效直为最高的峰值；直到回落到0V时，才能进行下一次脉冲测试。因为交流放大器内部有积分放电电阻，输出将从峰值上缓慢回落，如果还未回到原点就开始新的测试，将会不准确。

电荷放大器应用

• 传感器灵敏度及换算

传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度 值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相 差甚大。

大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为1mm，频率为1Hz的信号其加速度值仅为 0.04m/s2（0.004g）;然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10kHz的信号其加速度值可达4x10^5m/s2（40000g）。因此 尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量 压电式加速度计灵敏度，电压输出型 （IEPE型）为50-100mV/g，电荷输出型为10~50pC/g。

加速度值传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。

IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般都为±5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。

用电压式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pc/g(g为重力加速度)电荷放大器灵敏度为10mv/pc，试确定输入3g加速度，电荷放大器的输出电压，求反馈电容Cf

V=(70pC/g)x(10mV/pC)x(3g)=2100mV
Cf=Q/U=(1pC)/(0.01V)=100pF
(1)求系统的总灵敏度：
系统的总灵敏度为：S=(70pC/g)×(10mV/pC)=700mV/g
(2)根据已知条件，当输入a=3g时，
系统的输出电压为：u=aS=(3g)×(700mV/g)=2100mV=2.1V

注意：
pC是个电荷量单位，pC就是皮库伦
皮=10^(-9)
1pC=10^(-9)C

电荷放大器是具有深度电容负反馈的高开环增益的运算放大器。它把压电类型传感器的高输出阻抗转变为低输出阻抗，把输入电荷量转变为输出电压量，把传感器的微弱信号放大到一个适当的规一化数值。应用于测量振动、冲击、压力等参数。

• 应用

电荷放大器在测量冲击振动时是不可缺少的二次仪表。它与加速度计和记录显示设备相配合, 可组成较为理想的测量系统。广泛应用于汽车、火车、火箭、舰船及各种机械制造等测振领域。冲击与振动测量技术正越来越广泛地应用于科研、军事、机电、高等教育、化工、运输工具等领域，例如对各种机电产品的性能检测及各类型机电设备的运行监测等。