电压放大器（压电传感器）

电压放大器（压电传感器）

电压放大器是压电式传感器的两种主要测量电路之一，通过测量压电元件产生的电压来间接测量力或压力。其核心特性是低频响应受限于测量电路的时间常数τ，导致压电式传感器无法测量静态信号。

工作原理

电压放大器的等效电路由压电元件（等效为电压源U与电容Ca串联）、电缆电容Cc、放大器输入电容Ci和等效电阻R（Ra与Ri并联）组成。当压电元件受正弦力f = Fm sin ωt作用时，产生的电荷Q = d·f，对应电压U = Q/Ca。

频率响应特性

通过数学推导，放大器输入电压幅值为：

定义测量电路时间常数τ = R(Ca + Cc + Ci)，则：

高频特性

当ωτ > 3时，Uim ≈ Uim' = dFm/(Ca + Cc + Ci)，输入电压与频率无关，表明压电式传感器具有良好的高频响应特性。

低频特性与静态测量限制

当ω趋近于0时，Uim趋近于0，电荷会通过泄漏电阻释放。当作用力为静态力（ω = 0）时，前置放大器的输入电压Uim = 0。因此，压电式传感器不能用于测量静态量，只适合动态测量。

灵敏度与时间常数的权衡

提高低频响应需要增大时间常数τ，但增大回路电容会降低传感器灵敏度S = d/(Ca + Cc + Ci)。因此常采用输入电阻Ri很大的前置放大器来平衡这一矛盾。

与电荷放大器的对比

电压放大器与电荷放大器的主要区别在于：电压放大器的输出电压受电缆电容Cc影响，而电荷放大器的输出电压与电缆电容近似无关。电压放大器结构简单、成本较低，但低频性能不如电荷放大器。