压电测试技术实验教学研究摘要：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:intheexperimentalteachingofpiezoelectrictestingtechnology,itisboundtocomeincontactwiththeuseofthechargeamplifier,throughthecircuitanalysis,theauthorestablishedinputandoutputquantitativerelationshipexpressionofpiezoelectrictestingsystem,whichisnotonlyconducivetomasteringthefunctionalrelationshipbetweenmeasuredphysicalquantitiesandoutputvoltageinpiezoelectrictestingsystemforusers,butalsomakesthe“normalization”operationusedinchargeamplifierbeomitted.关键词：压电测试；电荷放大器keywords:piezoelectrictest；chargeamplifier0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