電荷放大器簡介

1.多數(shù)傳感器的感應部分能將機械量轉變成微弱的電荷量Q，而且輸出阻抗Ra極高。而通過適配電荷放大器就將此微弱電荷變換成與其成正比的電壓，并將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?。Ca 配接傳感器自身電容一般為數(shù)千pF，1/2 RaCa決定傳感器低頻下限。

Cc 傳感器輸出低噪聲電纜電容。一般采用的導線值為100－300pF/米。

Ci 運算放大器A1輸入電容典型值3pF 。

2.電荷變換級A1，采用高輸入阻抗、低噪聲、低漂移寬帶精密運算放大器。反饋電容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四檔。根據(jù)米勒定理，反饋電容折合到輸入端的有效電容量是C =（1 K）Cf1。其中K為A1開環(huán)增益典型值為120dB，即106倍。Cf1取100pF最小時C約為108pF。假設傳感器輸入低噪聲電纜長度為1000米，則Cc為95000pF。假設傳感器Ca為5000pF，則CaCcCiC并聯(lián)后CaCcCi總電容約為105pF，三者總電容與C相比105pF/108pF = 1/1000。換句話說5000pF自身電容的傳感器輸出電纜1000米，折合到反饋電容也只影響Cf1 0.1%的精度，而電荷變換級的輸出電壓為傳感器輸出電荷Q / 反饋電容Cf1，因此也只影響輸出電壓0.1%的精度。

電荷變換級的輸出電壓為Q / Cf1，所以當反饋電容分別為101pF、102pF103pF、104pF時,其輸出分別為10mV/pC、1mV/pC。0.1mV/pC。0.01mV/pC。

3.低通濾波器

以A3為核心組成二階巴特沃斯有源濾波器，元件少，調節(jié)方便，通帶平坦，可有效地消除高頻干擾信號對有用信號的影響。

4.高通濾波器

二階無源高通濾波器可有效地抑制低頻干擾信號對有用信號的影響。

5.末級功放

以A4為核心組成增益，輸出短路保護精度高。

6.程控和面板控制參數(shù)

為了實現(xiàn)對靈敏度、濾波常數(shù)的調整，我們設計了利用USB接口的計算機程控系統(tǒng)，可以通過計算機對相應參數(shù)進行調整，同時面板也可以進行顯示和調整。

7.過荷級

以A9為核心當輸出電壓大于10Vp時,前面板紅色發(fā)光二級管LED閃亮。此時信號發(fā)生削頂失真，應降低增益或查找故障。

8.電源

儀器的工作電壓為15V。它由AC220V 50Hz經變壓器降壓整流濾波，再經可調集成穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓后得到。

A.電荷放大器最大輸入電荷量為50000pC

B.電荷放大器適調方式為三位撥盤式數(shù)字指示, 適調誤差為<1% C.放大器頻率范圍(-3dB):

加速度 0.3Hz-100kHz

速度 1Hz-10kHz

位移 1Hz-1kHz D.電荷放大器輸出最大電壓: ±5Vo-p E.放大器測量誤差: 加速度為<1%

速度為<2%

位移為<4% F.放大器低通濾波截止頻率(-3dB): 五檔分別為100kHz、30kHz、10kHz、3kHz、1kHz, 衰減速率為12dB/oct G.放大器噪聲電平: 在1nF傳感器電容靈敏度條件下折合到輸入端時小于10-2pC H.電荷放大器使用環(huán)境: 溫度為0 -40℃ 濕度為0-80%RH 。

SZTL-DH1電荷放大器的概述：北京聲振研究所研制的SZTL-DH1電荷放大器廣泛應用于航空航天、機械、動力、爆炸、沖擊等，與壓電加速度計或力傳感器配合，其輸出電壓與輸入的電荷量成正比。

SZTL-DH1電荷放大器的技術參數(shù)：

1.輸入量：信號輸入電荷量z最大為100PC

2.開關適調量：三位數(shù)

3.傳感器靈敏度為1～11PC/ms2

4.輸出量：輸出電流0～±5mA，輸出電壓±10V，輸出阻抗≤10Ω

磁通量計也叫做麥克斯韋計，是用來測量磁感應強度B和磁通量功的儀器。永磁鐵和電磁鐵磁極附近區(qū)域或地磁場中磁通密度 ( 即磁賓應強度 ) B的測量，無論從實驗室的工作還是在教學的演示實驗中，都占有重要的位置 。為此，出現(xiàn)了早期的基于探測線圈和電量測量的磁通量計，但早期的電量測量儀器的靈敏度很低，或要使用操作麻煩的示波器進行間接計算。

通量計法則1

為了說明電路的工作原理，必須理解集成運放IC的兩條設計法則。

集成運放工作于放大器時，可以將兩個輸入端之間的電壓看作零，即兩個輸入端的電勢相等。這是因為集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)十分大，輸出電壓與輸入電壓之比高達10⁵一10⁵( 如F3140的開環(huán)電壓增益為106dB )，輸入端只要有幾百微伏的差動電壓，就足以使輸出端產生最大輸出電壓( 如F3140的最大輸 出電壓為士12V ) 。因此，可以把兩個輸入端之間的電壓看作為零，即把兩個輸入端的電勢看作是相等的。

通量計法則2

集成運放工作于放大器時，可以認為輸入端不汲取電流。這是因為集成運放只汲取極微小的輸入電流 ( 如 F 3140的微小輸入電流僅為10PA左右 ) 。

測量開始前，將探測線圈S放在待測磁場中，使磁力線垂直于線圈平面 。分別按一下按鈕開關K₁ 和K₂，使電容器C₁和C₂全部放電。

當把探測線圈S從磁場中取出時 ( 快速取出或慢速取出都行 )，由于穿過線圈的磁通量的變化，線圈中產生感生電動勢ε，導致回路中電荷的流動，對電容器C₁和C₂充電 。

根據(jù)集成運放的設計法則2，略去運放的輸入電流，可得電容器C₁和C₂的充電電壓U₁和U₂ 為：U₁=U₂=ε ；式中ε為感生電動勢 。

通量計待測磁通密度的大小

例如取n=1000，A=9.62cm²，R=10kΩ和C=100μF，得靈敏度1.9V/T ，每特斯拉的磁通密度給出1.9伏的示值。

設計常數(shù)k可以根據(jù)待測磁通密度的大小。在巳確定探測線圈的n 和A兩個參數(shù)之后，可以采用不同的RC值制成多量程磁通量計。

在常規(guī)的磁通量計中，探測線圈必須以沖擊的形式快速地從磁場中移出。在儀器中，探測線圈快速或緩速移出都無妨。這是因為電容器上充電電量與探測線圈的移動速度無關，而電量的測量又無需采用沖擊電流計測量。

通量計儀器的輸出電壓U0必須充分注意

關于儀器的輸出電壓U₀，有兩點必須給以充分注意 。

第一點是U₀的穩(wěn)定性取決于集成運放的輸入偏置電流的大小，必須采用輸入偏置電流很小的集成運放，即高輸入阻抗集成運放 。這類運放有單電源饋電型，如F3140，使用方便且電路簡單。

第二點是U₀有零點漂移，這是由集成運放的輸入失調電壓和失調電壓溫漂引起的 。讀數(shù)前，應調節(jié)運放補償端的調零電位器使伏特計指零端后再測量讀數(shù)。采用運放F3140的調零電位器R_w的接線法 。

壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結構上基本一樣。

圖所示為壓電式單向測力傳感器的結構圖。傳感器用于機床動態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅韧獾酌鎸ζ渲行木€的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。

壓電式壓力傳感器的結構類型很多，但它們的基本原理與結構仍與壓電式加速度和力傳感器大同小異。突出的不同點是，它必須通過彈性膜、盒等，把壓力收集、轉換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作為壓電元件。

壓電式加速度傳感器

圖所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結構原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個比重較大的質量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對質量塊預加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應變傳遞到壓電元件上去，避免產生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。

測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當傳感器感受到振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質量塊的質量相對較小，可以認為質量塊的慣性很小，因此質量塊感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產生了交變電荷（電壓），當振動頻率遠低于傳感器固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動加速度或位移。

壓電式金屬加工切削力測量

主要用于金屬加工切削力測量。

壓電式玻璃破碎報警器

主要用于璃破碎報警器。

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