传感器的测试系统当中，有过两种传感器的测量后续电路，即电压放大器和电荷放大器，出于前者的电压灵敏度随电路的改变而给测量带来麻烦，后来基本都已被电荷放大器替带。电荷放大器在测量系统中最显著的特点是电缆分布电容的改变不会对测量结果有改变，所以电荷放大器用于那些需要改变电缆长度的场合。

1.1 电荷放大器设计存在的难点

1.1.1 传感器设计部分

    （1）选取传感器的信号时，传感器本身有内阻，输出信号的变化幅度不大，一般仅有laV或者mV级；（2）压电式传感器可以测量电荷振动，但是实际上因为低频振幅振动时，加速度变化数值比较小，传感器的灵敏度都有一定额度，所以输出的信号都很小；（3）得到信号的变化范围较宽，容易出现信号干扰源干扰有用信号，对于测量产生不可忽视的影响。综上结论都给传感器的后续电路设计带来较大麻烦。文献综述

1.1.2 电荷放大器中使用的运算放大器的选取

    电荷放大器中使用的运算放大器要求具有很低的偏置电流且为高阻运放，而且要求反馈回路的电阻值不高于1Mfl。电荷放大电路对于一般的系统振动信号完全可以测试出大小，可是对于频率特别低的反映或者振动，在测量时就会有很大的误差，发生以上误差现象的原因在于所用电阻不能满足达到足够大的数值。

1.2 本文设计的主要内容

    本设计在理论上对电荷放大器电路作了分析和研究，在参考很多文献和资料的基础上电路采用高精度的测量放大集成芯片对电荷放大器的系统电路进行优化设计，另一方面为了简化调试难度和提高测量精确度，完善并且设计了智能化控制系统和电路。

    本文的主要内容：（1）压电元件及其等效电路 （2）压电元件的测量电路 （3） 电荷放大器的设计 （4） 智能控制系统设计

2 压电传感器及其测量电路源.自/优尔·论\文'网·www.youerw.com/

2.1 压电元件及其等效电路

    （1）压电元件及其测量系统具有成本较低、频响较宽、动态变化范围大等优点，在结构监测领域中得到了广泛的使用。当下常采用的压电元件主要含有PZT压电陶瓷和PVDF压电薄膜。压电效应力沿着一定方向对电介质施加可以使其变化，在其内部发生电荷极化，并且它的两个表面会产生相反的电荷量；当外力撤掉后又恢复稳定状态，这种将机械能转化成电能的情况被称为“正压电效应”。压电材料可实现机电能量的互相转化。

    （2）当压电元件受到外力作用时，就会在电极上产生电荷量，由此可知它也是一个电荷源（又叫静电发生器）。当压电元件电极表面聚集电荷时，它相当于一个用压电材料做为电解质的电容器。其电容量可以用下式表示：

                                      （2.1）

式中Ca为压电元件的电容（F）；ε0为真空介电常数（ε0=8.85×10-12Fm-1）；ε为压电材料的介电常数（Fm-1）；A为极板面积（m2）；l为压电元件的厚度（m）。

若施加力为F，根据压电效应，它所产生的电荷Q为：

                                                                   （2.2）

其中d为压电常数。因为压电传感器既是电荷源也是电容器，其等效电路可以认为是二者的并联，如图2.1 (a) 所示。图中Ri为绝缘电阻，绝缘电阻Ri一般在109-1014Ω之间，可认为是开路的，所以电荷Q对电容Ca充电，充电电压为U：