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摘要： 在压电测试技术实验教学中，必然要接触电荷放大器的使用，笔者通过电路分析，建立了压电测量系统输入理学物理量与输出物理量关系式，有助于使用者掌握压电测试系统被测物理量与输出电压间的函数关系，也使得电荷放大器使用中的“归一化”操作可以省略。
Abstract: In the experimental teaching of piezoelectric testing technology, it is bound to come in contact with the use of the charge amplifier, through the circuit analysis, the author established input and output quantitative relationship expression of piezoelectric testing system, which is not only conducive to mastering the functional relationship between measured physical quantities and output voltage in piezoelectric testing system for users, but also makes the "normalization" operation used in charge amplifier be omitted.
关键词： 压电测试；电荷放大器
Key words: piezoelectric test；char
1006-4311（2012）25-0217-02
0引言
压电式传感器具有体积小、重量轻、使用方便、测量频带宽等优点，被广泛用于振动、力和压力等动态力学测量中。压电测试系统中，电荷放电器作为适配器，必不可少。现有资料、说明中，使用电荷放大器必须进行“归一法”操作，学员对此常提出疑问，对实际测量工作也非常不便。通过对电荷放大器电路进行分析、计算，推导出电荷放大器输入与输出间的函数表达式。该表达式明确了电荷放大器各旋钮表示值之间的函数关系，这既有助于学员们掌握压电测试系统被测物理量与输出电压间定量关系，也免去了“归一法”操作。
1压电测量系统使用中存在问题
1.1 压电测量系统的构成压电测量系统如图1所示。其中，E为压电式传感器力学输入物理量，Q为压电式传感器所产生电荷，S1为传感器灵敏度。
1.2 电荷放大器使用要求电荷放大器面板上通常有4个适调开关。它们分别是灵敏度开关S（单位pc/unit）；增益适调开关G（单位mv/unit）；下限频率适调开关F；上限适调开关F。在进行测量前，首先对各适调开关进行预置。必需将灵敏度适调开关置于传感器灵敏度数值上，即为归一化操作。此时电荷放大器输出电压值V与输入物理量B之间关系为V=EG。G可取0.1mv/unit，1mv/unit，10mv/unit，100mv/unit，1000mv/unit中一值（unit即单位输入力学物理量）。
1.3 教学和使用中存在问题电荷放大器在使用中时要求放大器灵敏度开关数值与传感器灵敏度数值一致，即所谓“归一化”操作。在教学中。常有学员对此操作询问原因，若放大器灵敏度开关数值与传感器灵敏度数值不一致，输出电压和被测物理量间存在何种关系？
2电荷放大器电路分析
电荷放大器型号很多，但其基本组成、工作原理相同，电荷放大器放大电路通常由三部分组成，其组成框图如图2所示。
图中Q为压电式传感器所产生的电荷；V1为电荷转换部分输出电压；V2为适调放大部分输出电压；V0为输出放大部分输出电压，即电荷放大器输出电压。
以国产DFH-4型电荷放大器电路为对象，进行定量分析。
2.1 电荷转换部分电路分析电荷放大器在工作时，首先将传感器电荷转换为低输出阻抗电压源，转换电路可以等效为图3。
图中Rt为压电传感器绝缘电阻，Ct传感器等效电容；Cc为电缆分布电容，Rc为电缆电阻；Ri为运算放大器输入电阻；Cf，Rf分别为反馈电容、电阻。
电路设计中Rc为欧姆级，其余各电阻均在千兆数量级，Rc可忽略，其余可认为开路。
电荷转换部分输出电压为
V1=-K0■（1）
K0达103数量级，反馈电容（1+K0）Cf之值远大于Ct，Cc，故V1≈-Q/Cf（2）
Cf与档位开关G联动。这样通过调节增益开关数值，就实现了对V1的控制。
反馈电容Cf与增益开关G数值一一对应关系见表1。
通过表1中一一对应关系，可知，
Cf·G=10-11库伦及Cf·G=10-10库伦（G=1000mV/unit时）及V1≈-Q/Cf=-Q·G·1011V，
或-Q/Cf=-Q·G·1010V（G=1000mV/unit时）（3）
2.2 适调放大电路分析电荷转换为电压后，进入适调放大电路部分，该部分有适调开关及运算放大器两部分组成，本级作用是对上一级输出进行比例放大，其电路如图4所示。
R1是一可调电阻器，其阻值在0～10k范围内变化，最小改变量为0.01k。可调电阻器阻值由电荷放大器灵敏度适调开关S2 控制，S2在数值上等于可调电阻器数值，即S2=R1。改变可调电阻器阻值。
由运算放大器特性可知：V2=-I·R2，V1=-I·R1。
V2=-R2V1/R1=10QG·1011/S2=QG·1012/S2（4）
或V2=QG·1011/S2（G=1000mV时）（5）
2.3 输出放大器部分电路分析本部分电路时电荷放大器输出级，该部分电路是一个同相放大器。
开关K与增益开关G联动，当G置于1000mv/unit时K闭合，G置于其他数值时K断开。K断开时，输出放大电路部分电路等效于一个10倍放大器，V0=10V2。
综合电荷放大器电路各部分定量分析结果，可以推出电荷放大器输出电压值与输入物理量之间的定量关系式。
当G不取1000mv/unit时
V0=V2=QG·1012/S2=1012S1EG/S2（6）
当G置于1000mV/unit时
V0=10V2=1012S1EG/S2（7）
压电传感器灵敏度S1以
Pc/unit（1Pc=10-12c）为单位，故
V0=S1·E·G/S2（8）
通过上述推导得到电荷放大器输出放大电压V0与力学输入物理量E、压电传感器灵敏度S1、电荷放大器灵敏度适调开关数值S2、增益开关G之间的比例关系式。只要式（8）中4个参量已知，就可以其余未知参量数值。测量时，压电传感器灵敏度S1、电荷放大器输出电压V0已知，通过面板上旋钮位置可知G、S2值，被测物理量为：
E=■·S2（9）
通过对电荷放大器电路进行分析、计算，建立了压电测试系统输入、输出定量关系式，将该关系式引入教学和测量工作中，对压电传感器的标定、压电测试系统的使用均具有重要价值。
参考文献：
传感器技术手册.袁希光.北京：国防工业出版社，1989.
传感器原理及应用.王桂荣.北京：中国电力出版社，2010.
[3]工程测试技术.孔德仁.北京：科学出版社，2005.
Abstract: In the experimental teaching of piezoelectric testing technology, it is bound to come in contact with the use of the charge amplifier, through the circuit analysis, the author established input and output quantitative relationship expression of piezoelectric testing system, which is not only conducive to mastering the functional relationship between measured physical quantities and output voltage in piezoelectric testing system for users, but also makes the "normalization" operation used in charge amplifier be omitted.
关键词： 压电测试；电荷放大器
Key words: piezoelectric test；char
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ge amplifier1006-4311（2012）25-0217-02
0引言
压电式传感器具有体积小、重量轻、使用方便、测量频带宽等优点，被广泛用于振动、力和压力等动态力学测量中。压电测试系统中，电荷放电器作为适配器，必不可少。现有资料、说明中，使用电荷放大器必须进行“归一法”操作，学员对此常提出疑问，对实际测量工作也非常不便。通过对电荷放大器电路进行分析、计算，推导出电荷放大器输入与输出间的函数表达式。该表达式明确了电荷放大器各旋钮表示值之间的函数关系，这既有助于学员们掌握压电测试系统被测物理量与输出电压间定量关系，也免去了“归一法”操作。
1压电测量系统使用中存在问题
1.1 压电测量系统的构成压电测量系统如图1所示。其中，E为压电式传感器力学输入物理量，Q为压电式传感器所产生电荷，S1为传感器灵敏度。
1.2 电荷放大器使用要求电荷放大器面板上通常有4个适调开关。它们分别是灵敏度开关S（单位pc/unit）；增益适调开关G（单位mv/unit）；下限频率适调开关F；上限适调开关F。在进行测量前，首先对各适调开关进行预置。必需将灵敏度适调开关置于传感器灵敏度数值上，即为归一化操作。此时电荷放大器输出电压值V与输入物理量B之间关系为V=EG。G可取0.1mv/unit，1mv/unit，10mv/unit，100mv/unit，1000mv/unit中一值（unit即单位输入力学物理量）。
1.3 教学和使用中存在问题电荷放大器在使用中时要求放大器灵敏度开关数值与传感器灵敏度数值一致，即所谓“归一化”操作。在教学中。常有学员对此操作询问原因，若放大器灵敏度开关数值与传感器灵敏度数值不一致，输出电压和被测物理量间存在何种关系？
2电荷放大器电路分析
电荷放大器型号很多，但其基本组成、工作原理相同，电荷放大器放大电路通常由三部分组成，其组成框图如图2所示。
图中Q为压电式传感器所产生的电荷；V1为电荷转换部分输出电压；V2为适调放大部分输出电压；V0为输出放大部分输出电压，即电荷放大器输出电压。
以国产DFH-4型电荷放大器电路为对象，进行定量分析。
2.1 电荷转换部分电路分析电荷放大器在工作时，首先将传感器电荷转换为低输出阻抗电压源，转换电路可以等效为图3。
图中Rt为压电传感器绝缘电阻，Ct传感器等效电容；Cc为电缆分布电容，Rc为电缆电阻；Ri为运算放大器输入电阻；Cf，Rf分别为反馈电容、电阻。
电路设计中Rc为欧姆级，其余各电阻均在千兆数量级，Rc可忽略，其余可认为开路。
电荷转换部分输出电压为
V1=-K0■（1）
K0达103数量级，反馈电容（1+K0）Cf之值远大于Ct，Cc，故V1≈-Q/Cf（2）
Cf与档位开关G联动。这样通过调节增益开关数值，就实现了对V1的控制。
反馈电容Cf与增益开关G数值一一对应关系见表1。
通过表1中一一对应关系，可知，
Cf·G=10-11库伦及Cf·G=10-10库伦（G=1000mV/unit时）及V1≈-Q/Cf=-Q·G·1011V，
或-Q/Cf=-Q·G·1010V（G=1000mV/unit时）（3）
2.2 适调放大电路分析电荷转换为电压后，进入适调放大电路部分，该部分有适调开关及运算放大器两部分组成，本级作用是对上一级输出进行比例放大，其电路如图4所示。
R1是一可调电阻器，其阻值在0～10k范围内变化，最小改变量为0.01k。可调电阻器阻值由电荷放大器灵敏度适调开关S2 控制，S2在数值上等于可调电阻器数值，即S2=R1。改变可调电阻器阻值。
由运算放大器特性可知：V2=-I·R2，V1=-I·R1。
V2=-R2V1/R1=10QG·1011/S2=QG·1012/S2（4）
或V2=QG·1011/S2（G=1000mV时）（5）
2.3 输出放大器部分电路分析本部分电路时电荷放大器输出级，该部分电路是一个同相放大器。
开关K与增益开关G联动，当G置于1000mv/unit时K闭合，G置于其他数值时K断开。K断开时，输出放大电路部分电路等效于一个10倍放大器，V0=10V2。
综合电荷放大器电路各部分定量分析结果，可以推出电荷放大器输出电压值与输入物理量之间的定量关系式。
当G不取1000mv/unit时
V0=V2=QG·1012/S2=1012S1EG/S2（6）
当G置于1000mV/unit时
V0=10V2=1012S1EG/S2（7）
压电传感器灵敏度S1以
Pc/unit（1Pc=10-12c）为单位，故
V0=S1·E·G/S2（8）
通过上述推导得到电荷放大器输出放大电压V0与力学输入物理量E、压电传感器灵敏度S1、电荷放大器灵敏度适调开关数值S2、增益开关G之间的比例关系式。只要式（8）中4个参量已知，就可以其余未知参量数值。测量时，压电传感器灵敏度S1、电荷放大器输出电压V0已知，通过面板上旋钮位置可知G、S2值，被测物理量为：
E=■·S2（9）
通过对电荷放大器电路进行分析、计算，建立了压电测试系统输入、输出定量关系式，将该关系式引入教学和测量工作中，对压电传感器的标定、压电测试系统的使用均具有重要价值。
参考文献：
传感器技术手册.袁希光.北京：国防工业出版社，1989.
传感器原理及应用.王桂荣.北京：中国电力出版社，2010.
[3]工程测试技术.孔德仁.北京：科学出版社，2005.