电流型仪表放大器提升压电加速度计性能

电路抑制由压电传感器及其电缆产生的容性耦合噪声。

一个典型的压电传感器由表面上金属化电极的PZT-5A陶瓷材料组成。在电极处使用导电环氧将传感器连接到外部电缆。绝缘胶粘合装置元件到待测结构上，使传感器与接地参考电位隔离。压电片面向预期加速度的方向。当安放在目标结构上时，压电片成为简单的压力传感器和加速度计，产生正比于压力且平行于压电片极化方向的电压。压电片容性阻抗在低频时呈现很大的电抗，使压电片和电缆易受周围电气设备和电源线的干扰。传感器远距离安放时，需要使用屏蔽的互连电缆，但即使屏蔽，对去除共模信号也不是完全有效，因为压电片的导电表面仍会获取噪声。

提取传感器信号的一个方法是使用仪表放大器，它只放大传感器所产生的电位。放大器抑制出现在传感器各端的共模耦合噪声电位。

典型的微型压电片传感器直径0.125英寸，0.0075英寸厚，相当于几乎500 pF的电容。如果测量应用需要限制激励频率在10Hz或更低的动态响应，传感器输出电抗可达到10几MΩ的范围。电路印制板的绝缘层和周围湿度使放大器输入阻抗有几乎10 MΩ的实际限制。

必须谨慎选择绝缘方法和使用保护电位，必须使用输入偏置电流为微微安级的放大器。否则，传感器电容和放大器的输入偏置电流电阻，对仪表放大器的信号施加相位偏移。为消除保护和复杂的绝缘需要，图1电路使用带反馈的仪表放大器，测量传感器短路电流，而不是开路电压。传感器和信号地之间的共模电压VCM来自周围杂散电容耦合带来的噪声源。下面的公式描述了传感器输出电流i和其开路输出电压ES的关系：

图1中，A代表IC1的电压增益，R=R1=R2。电阻R1和R2为IC1（INA121仪表放大器）提供反馈和输入偏置电流回路，电阻RG设置放大器增益。INA121的输入偏置电流为0.5pA，在10MΩ反馈电阻上产生5μV电压偏置。放大器增益为500倍时，IC1输出偏置达到2.5 mV。放大器IC2 TL081提供单位增益的信号极性变换。

如果2A+1>>2RjωCS，则i≈jωCSES。放大器IC1输入电压V1变为零，因为放大器输入终端通过传感器起虚短电路的作用。取仪表放大器和反相放大器输出、两个反馈电阻和仪表放大器输入端子构成回路的电压和（其电位差为零），得到eO=jωRCES，其中eO表示IC1的输出，也是IC2输出的负值。

在下面的公式中，用运算放大器做的积分器IC3给出在IC3输出的ES。
 

图1中的元器件值，IC1提供500倍增益。电阻R1和R2为10 MΩ，压电传感器的电容为500 pF。对最高频率10Hz，量值为2RωCS=0.6<<2A+1=501和传感器输出ES，也没有相位误差E'。电路能测量准静态压力的改变；电路能维持C1上的电荷，从而对电路频率响应构成限制。