使用壓電薄膜傳感器作為加速度計

　　加速度計可以用在儀表中，測量加速度(速度對時(shí)間的變化率)和測量?jì)A斜度(物體的縱軸和與地球表面相切的平面的垂線(xiàn)之間形成的傾角)。傾斜度測量可以被看成“直流”或穩態(tài)測量。在理論上，加速度可以是穩態(tài)的，但在實(shí)際應用當中，加速度通常是一個(gè)短期的暫時(shí)現象。

　　在非傾斜應用(短時(shí)加速)中，可以將壓電檢波器或壓電薄膜傳感器用作傳感器。任何類(lèi)型的壓電傳感器都有一個(gè)與電容串聯(lián)的交流電壓源等效電路(加上其他會(huì )產(chǎn)生二階效應的電抗元件，不在此進(jìn)行分析)。典型的容值為幾百皮發(fā)到幾納發(fā)。電壓源的電容耦合就是為什么器件不能提供穩態(tài)的傾斜度測量的原因。

　　上面提到的等效電容，再加上輸入或后繼的放大或緩沖電路的分流電阻就構成了一個(gè)單極高通濾波器(HPF)。在最好的情況下，如果分流電阻越大，高通濾波器中極點(diǎn)的時(shí)間常數越長(cháng)。這就意味著(zhù)，在時(shí)間常數效應削弱測量前，可以對加速度進(jìn)行測量的時(shí)間較長(cháng)。

　　從實(shí)用性的角度出發(fā)(考慮到器件的可用性)，可以選用1GΩ的阻值。由于這個(gè)電阻值很大，所使用的放大器必須具有非常低的偏置或泄漏電流，最好能達到1pA的級別。

　　圖1是一個(gè)實(shí)用電路的電路圖。壓電薄膜傳感器是器件X1。在原型設計當中，使用了測量專(zhuān)用的LDTM-028K器件。這個(gè)傳感器的一端已經(jīng)施加了一個(gè)很小的重力，在這端再增加大的重力，可以提高靈敏度。傳感器通過(guò)R1連到運放U1的非反向輸入端，R1可防止過(guò)壓對運放的輸入造成損害。如果傳感器承受的加速度非常高(如重擊)，就很可能發(fā)生這種情況。R1也可以用來(lái)減小來(lái)自X1的信號幅值。這個(gè)電路中的R1是1GΩ。R2是輸入分流電阻，1pA的泄漏電流會(huì )流過(guò)R2，其數值也是1GΩ，產(chǎn)生1mV的偏置電壓(加到運放的實(shí)際偏置電壓上)。R2接2.5V的參考電壓，設定運放的靜態(tài)輸出電壓。運放是ISL28158(或任何其他具有超低輸入偏置/泄漏電流的器件)。運算放大器使用+5VDC電源供電。直流增益由R3和R4設定，在這個(gè)電路中是+2V/V。1μF的電容器(C3)構成了低通濾波器，減小了電路對更高頻振動(dòng)的響應。這里最好用薄膜電容器，因為陶瓷電容器可能引入附加的討厭的壓電效應(即常說(shuō)的顫噪效應)。如果需要額外的低通濾波，在運放的輸出端，即圖中的R5和C4，可以增加一個(gè)額外的極點(diǎn)。

　　把X1安裝到電路板上，這樣重力就會(huì )加到電路板的下面，傳感器會(huì )在所要測量加速度的方向上彎曲。參見(jiàn)圖2。

　　調小R1可提高靈敏度。調整C3和C4可改變低通濾波器的時(shí)間常數。