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低頻加速度傳感器的技術原理及特點

來源:www.oqsjk.com    發布時間:2017-06-23

工程振動量值的物理參數常用位移、速度和加速度來表示。由于在通常的頻率範圍内振動位移幅值量很小,且位移、速度和加速度之間都可互相轉換,所以在實際使用中振動量的大小一般用加速度的值來度量。常用單位為:米/秒2(m/s2),或重力加速度(g)。


  描述振動信号的另一重要參數是信号的頻率。絕大多數的工程振動信号均可分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信号,因此,對某一振動信号的測量,實際上是對組成該振動信号的正弦頻率分量的測量。對傳感器主要性能指标的考核也是根據傳感器在其規定的頻率範圍内測量幅值精度的高低來評定。


  電荷輸出型加速度計不适合用于低頻測量


  由于低頻振動的加速度信号都很微小,而高阻抗的小電荷信号非常容易受幹擾;當測量對象的體積越大,其測量頻率越低,則信号的信噪比的問題更為突出。因此在目前帶内置電路加速度傳感器日趨普遍的情況下應盡量選用電噪聲比較小,低頻特性優良的低阻抗電壓輸出型壓電加速度傳感器


  傳感器的低頻截止頻率


  與傳感器的高頻截止頻率類同,低頻截止頻率是指在所規定的傳感器頻率響應幅值誤差(±5%,±10%或±3dB)内傳感器所能測量的最低頻率信号。誤差值越大其低頻截止頻率也相對越低。所以不同傳感器的低頻截止頻率指标必須在相同的誤差條件下進行比較。


  低阻抗電壓輸出型傳感器的低頻特性是由傳感器敏感芯體和内置電路的綜合電參數所決定的。其頻率響應特性可以用模拟電路的一階高通濾波器特性來描述,所以傳感器的低頻響應和截止頻率完全可以用一階系統的時間常數來确定。從實用角度來看,由于傳感器的甚低頻頻率響應的标定比較困難,而通過傳感器對時間域内階躍信号的響應可測得傳感器的時間常數;因此利用傳感器的低頻響應與一階高通濾波器的特性幾乎一緻的特點,通過計算可方便地獲得傳感器的低頻響應和與其對應的低頻截至頻率。


  傳感器的靈敏度,低頻噪聲特性和動态響應範圍


  用于低頻測量的傳感器一般要求有比較高的靈敏度以滿足低頻小信号的測量。但靈敏度的增加往往是有限的。雖然加速度傳感器靈敏度是能達到10V/g或更高,但是靈敏度高往往帶來其他的負面效應,比如傳感器的穩定性,抗過載能力,以及對周邊環境幹擾的敏感性。因此追求過高靈敏度并不一定能解決微小信号的測量,相反高分辨率和低噪聲的傳感器在工程應用中往往更容易解決實際問題。所以選用具有低電噪聲的傳感器在低頻測量中尤為重要。


  為了表明傳感器所能測量的最小信号大部分商業化的加速度計也都提供分辨率或電噪聲指标。國内絕大部分傳感器的寬帶電噪聲指标一般都标為20μV,而BW-sensor的寬帶電噪聲指标已降低到10μV。然而對低頻小信号測量來說,僅提供寬頻帶的電噪聲并不能完全反映傳感器在低頻範圍内加速度測量的分辨率;這是因為由内置電路引起的低頻噪聲大小與頻率的倒數成正比,即所謂1/f噪聲,當測量頻率很低時傳感器的電噪聲輸出按指數幅度增長。所以傳感器的低頻電噪聲的數值與寬帶電噪聲指标是完全不同的而且頻率越低這種差别越明顯。因此用于甚低頻測量的傳感器其分辨率常用傳感器輸出電噪聲的功率譜密度表示。此指标的實用意義是傳感器在特定頻率下的噪聲大小,其單位是一般用μV/√Hz或μg/√Hz來表示。BW-sensor内置電路電噪聲功率譜密度的典型值為3μV/√Hz@10Hz。


  傳感器的瞬态溫度響應對低頻測量的影響


  由于壓電陶瓷的特性,壓電式加速度計對溫度的突然變化都會産生不同程度的電荷輸出。傳感器的瞬态溫度響應指标就是衡量傳感器對溫度變化的敏感程度。這對低頻測量尤為重要。由于低頻測量的信号很小,而傳感器因環境溫度變化極可能産生與低頻振動信号相當的誤差;這兩種信号在甚低頻範圍内很難區分,因此如何減小環境溫度變化對傳感器輸出的影響在低頻測量中顯得非常重要。傳感器的瞬态溫度響應指标單位是g/oC,表示瞬态溫度每變化一度所相當的加速度輸出,其值是通過電壓(電荷)輸出和傳感器靈敏度之間的換算得到的。


  傳感器的瞬态溫度響應是由壓電材料直接導緻的,因此壓電陶瓷對由溫度突變所緻的電荷輸出大小決定了這一指标的好壞。BW-sensor選用目前國外綜合性能指标最好的壓電陶瓷并結合記憶金屬制成的用于低頻測量的加速度傳感器經國防兵器、航天和大型結構多年的使用驗證了傳感器具有優越的低頻輸出穩定性和抗幹擾性能。實際甚低頻測量中,為了減低環境溫度變化對傳感器低頻信号輸出的影響,傳感器的外殼盡可能采用隔熱保護套。


  傳感器的安裝基座和基座應變對測量的影響


  由于低頻測量傳感器對高頻響應的要求不高因此傳感器使用任何種安裝方式一般都能滿足要求。但需要注意兩個問題,其一是傳感器應盡量考慮使用絕緣底座以避免任何由對地回路引起的噪聲影響測量信号。其二是應考慮傳感器安裝處的被測結構應變對傳感器輸出的影響,即傳感器應變靈敏度大小。剪切結構形式的壓電加速度傳感器具有良好的基座應變特性,一般都能滿足通常的低頻結構測試。如果結構應變過大對傳感器的測量信号有影響,可通過減小傳感器與被測結構之間的接觸面積來降低結構應變對傳感器測量帶來的影響。


  與傳感器高頻指标相對應,傳感器的低頻測量指标通常由低頻截止頻率來确定,同樣一定低頻截止頻率與對應的幅值誤差相關。和高頻特性不同,傳感器的低頻特性與傳感器的任何機械參數無關,而僅取決于傳感器的電特性參數。當然傳感器作為測量系統的某一部分,測量信号的低頻特性還将受到與傳感器配用的後繼儀器電參數的制約。根據輸出信号的不同形式,以下将對電荷輸出和低阻電壓輸出加速度傳感器分别給與讨論。


  盡管電荷型輸出加速度傳感器列出低頻截止頻率,但一般都給予指出測量信号的低頻特性由後繼電荷放大器确定。在實際應用中,當電荷型傳感器的芯體絕緣阻抗遠大于電荷放大器輸入端的輸入阻抗時,由傳感器和電荷放大器組成的測量系統其低頻截至頻率應該由電荷放大器的低頻特性所決定。但是如果傳感器的芯體絕緣阻抗下降,此時傳感器則可能影響整個測量系統的低頻特性。因此保證芯體的絕緣阻抗對電荷輸出型加速度傳感器的低頻測量非常重要。


  對于IEPE傳感器配用的恒流電壓源,其通常的低頻截至頻率為0.1Hz(-5%)。因此一般情況下測量系統的低頻特性是由傳感器的低頻截至頻率所決定。通用型傳感器的低頻截止頻率大多為0.5Hz~1Hz,專門用于低頻測量的傳感器低頻截至頻率可擴展到0.1Hz。由于傳感器的低頻校驗比較困難,所以制造廠商一般隻提供10Hz以上的測試數據。但傳感器的低頻特性與一階高通濾波器非常吻合,所以用戶可以通過實測時間常數來檢查傳感器的實際低頻響應。


  用IEPE型壓電型加速度傳感器測量甚低頻加速度信号還需要注意的問題有:


  當傳感器和恒流電壓源交流耦合的低頻截至頻率相當時,測量系統的低頻特性是由傳感器和恒流電壓源的各自低頻響應組合而成,此時測量系統的低頻截止頻率要高于傳感器或恒流電壓源各自的低頻截止頻率。理想的測量系統傳感器應配用帶直流平衡的恒流電壓源,這樣系統的低頻響應将完全取決于傳感器的低頻截至頻率。


  當傳感器用于甚低頻測量時,能否準确測量低頻信号并不完全決定與系統的低頻響應特性,系統的低頻電噪聲大小也将直接影響低頻信号的測量。另外傳感器的瞬态溫度響應大小也将直接影響傳感器的低頻測量。

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