壓電薄膜傳感器的設計

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

在非傾斜應用(短時加速)中，可以將壓電檢波器或壓電薄膜傳感器用作傳感器。任何類型的壓電傳感器都有一個與電容串聯(lián)的交流電壓源等效電路(加上其他會產生二階效應的電抗元件，不在此進行分析)。典型的容值為幾百皮法到幾納法。電壓源的電容耦合就是為什么器件不能提供穩(wěn)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，高通濾波器中極點的時間常數(shù)越長。這就意味著，在時間常數(shù)效應削弱測量前，可以對加速度進行測量的時間較長。

從實用性的角度出發(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是一個實用電路的電路圖。壓電薄膜傳感器是器件X1。在原型設計當中，使用了測量專用的 LDTM-028K器件。這個傳感器的一端已經施加了一個很小的重力，在這端再增加大的重力，可以提高靈敏度。傳感器通過R1連到運放U1的非反向輸入端，R1可防止過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也可以用來減小來自X1的信號幅值。這個電路中的R1是1GΩ。R2是輸入分流電阻，1pA的泄漏電流會流過R2，其數(shù)值也是1GΩ，產生1mV的偏置電壓(加到運放的實際偏置電壓上)。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+5V DC電源供電。直流增益由R3和R4設定，在這個電路中是+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，可以增加一個額外的極點。

把X1安裝到電路板上，這樣重力就會加到電路板的下面，傳感器會在所要測量加速度的方向上彎曲。

調小R1可提高靈敏度。調整C3和C4可改變低通濾波器的時間常數(shù)。