SZTL-DH1電荷放大器

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(yīng)用于航空航天、機(jī)械、動(dòng)力、爆炸、沖擊等，與壓電加速度計(jì)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(shù)參數(shù)：

1.輸入量：信號(hào)輸入電荷量z最大為100PC

2.開關(guān)適調(diào)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

A.電荷放大器最大輸入電荷量為50000pC

B.電荷放大器適調(diào)方式為三位撥盤式數(shù)字指示, 適調(diào)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(cè)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(shí)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 。

1.多數(shù)傳感器的感應(yīng)部分能將機(jī)械量轉(zhuǎn)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(dǎo)線值為100－300pF/米。

Ci 運(yùn)算放大器A1輸入電容典型值3pF 。

2.電荷變換級(jí)A1，采用高輸入阻抗、低噪聲、低漂移寬帶精密運(yùn)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(shí)C約為108pF。假設(shè)傳感器輸入低噪聲電纜長度為1000米，則Cc為95000pF。假設(shè)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(jí)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(jí)的輸出電壓為Q / Cf1，所以當(dāng)反饋電容分別為101pF、102pF103pF、104pF時(shí),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(diào)節(jié)方便，通帶平坦，可有效地消除高頻干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)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(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響。

5.末級(jí)功放

以A4為核心組成增益，輸出短路保護(hù)精度高。

6.程控和面板控制參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏度、濾波常數(shù)的調(diào)整，我們?cè)O(shè)計(jì)了利用USB接口的計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)，可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)面板也可以進(jìn)行顯示和調(diào)整。

7.過荷級(jí)

以A9為核心當(dāng)輸出電壓大于10Vp時(shí),前面板紅色發(fā)光二級(jí)管LED閃亮。此時(shí)信號(hào)發(fā)生削頂失真，應(yīng)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(jīng)變壓器降壓整流濾波，再經(jīng)可調(diào)集成穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓后得到。

磁通量計(jì)也叫做麥克斯韋計(jì)，是用來測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)中磁通密度 ( 即磁賓應(yīng)強(qiáng)度 ) B的測(cè)量，無論從實(shí)驗(yàn)室的工作還是在教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)中，都占有重要的位置 。為此，出現(xiàn)了早期的基于探測(cè)線圈和電量測(cè)量的磁通量計(jì)，但早期的電量測(cè)量儀器的靈敏度很低，或要使用操作麻煩的示波器進(jìn)行間接計(jì)算。

通量計(jì)法則1

為了說明電路的工作原理，必須理解集成運(yùn)放IC的兩條設(shè)計(jì)法則。

集成運(yùn)放工作于放大器時(shí)，可以將兩個(gè)輸入端之間的電壓看作零，即兩個(gè)輸入端的電勢(shì)相等。這是因?yàn)榧蛇\(yùn)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(dá)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(dòng)電壓，就足以使輸出端產(chǎn)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(gè)輸入端之間的電壓看作為零，即把兩個(gè)輸入端的電勢(shì)看作是相等的。

通量計(jì)法則2

集成運(yùn)放工作于放大器時(shí)，可以認(rèn)為輸入端不汲取電流。這是因?yàn)榧蛇\(yùn)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(cè)量開始前，將探測(cè)線圈S放在待測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線垂直于線圈平面 。分別按一下按鈕開關(guān)K₁ 和K₂，使電容器C₁和C₂全部放電。

當(dāng)把探測(cè)線圈S從磁場(chǎng)中取出時(shí) ( 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(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)ε，導(dǎo)致回路中電荷的流動(dòng)，對(duì)電容器C₁和C₂充電 。

根據(jù)集成運(yùn)放的設(shè)計(jì)法則2，略去運(yùn)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(dòng)勢(shì) 。

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

在常規(guī)的磁通量計(jì)中，探測(cè)線圈必須以沖擊的形式快速地從磁場(chǎng)中移出。在儀器中，探測(cè)線圈快速或緩速移出都無妨。這是因?yàn)殡娙萜魃铣潆婋娏颗c探測(cè)線圈的移動(dòng)速度無關(guān)，而電量的測(cè)量又無需采用沖擊電流計(jì)測(cè)量。

通量計(jì)儀器的輸出電壓U0必須充分注意

關(guān)于儀器的輸出電壓U₀，有兩點(diǎn)必須給以充分注意 。

第一點(diǎn)是U₀的穩(wěn)定性取決于集成運(yùn)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(yùn)放，即高輸入阻抗集成運(yùn)放 。這類運(yùn)放有單電源饋電型，如F3140，使用方便且電路簡(jiǎn)單。

第二點(diǎn)是U₀有零點(diǎn)漂移，這是由集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫漂引起的 。讀數(shù)前，應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)放補(bǔ)償端的調(diào)零電位器使伏特計(jì)指零端后再測(cè)量讀數(shù)。采用運(yùn)放F3140的調(diào)零電位器R_w的接線法 。