壓電加速度傳感器原理及應(yīng)用

每種加速度傳感器技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。在作出選擇之前，明確它們的區(qū)別和測(cè)試需求是非常重要的。首先也是最重要的是，對(duì)于需要測(cè)量靜態(tài)加速度或低頻加速度(1Hz)的應(yīng)用，或者需要用加速度計(jì)算速度和位移的應(yīng)用，需要選擇具有直流響應(yīng)的加速度傳感器。對(duì)于多數(shù)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇合適的測(cè)試工具將對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。本文將幫助讀者正確的選擇加速度傳感器。讓我們從傳感器的分類(lèi)和原理開(kāi)始。

基本的加速度傳感器類(lèi)型

總的來(lái)說(shuō)有兩類(lèi)加速度傳感器:交流響應(yīng)加速度傳感器直流響應(yīng)加速度傳感器作為交流響應(yīng)的加速度傳感器，正如它的名稱(chēng)，它的輸出是交流耦合的。此類(lèi)傳感器不能用來(lái)測(cè)試靜態(tài)的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們僅適合測(cè)量動(dòng)態(tài)事件。而直流響應(yīng)的加速度傳感器，具有直流耦合輸出，能夠響應(yīng)低至0赫茲的加速度信號(hào)。因此直流響應(yīng)的加速度傳感器適合同時(shí)測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的加速度。并不是只有需要測(cè)試靜態(tài)加速度時(shí)才選擇直流響應(yīng)的加速度傳感器。

加速度，速度，位移

許多對(duì)于振動(dòng)的研究需要獲取加速度，速度和位移的信息，這些是工程師們?cè)O(shè)計(jì)和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)時(shí)所需要的重要信息。一般說(shuō)來(lái)，加速度提供了很好的參考，而速度和位移卻是計(jì)算時(shí)所需的變量。為了從加速度計(jì)算出速度和位移，從傳感器輸出的加速度信號(hào)會(huì)通過(guò)數(shù)字或模擬的形式分別做一次和二次積分。這就可能導(dǎo)致了交流耦合的傳感器會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。為了演示這個(gè)問(wèn)題，設(shè)想采用交流傳感器測(cè)量一個(gè)寬脈沖半正弦波信號(hào)。由于固有的交流RC時(shí)間常數(shù)的限制，傳感器的輸出不能很好跟輸入脈沖吻合。同樣的原因，在脈沖的結(jié)束點(diǎn)，傳感器輸出將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向零點(diǎn)偏移。下圖展示了傳感器的輸出(紅色的曲線(xiàn))和寬脈沖半正弦加速度輸入(藍(lán)色曲線(xiàn))的關(guān)系。這個(gè)看似微小的幅度上的差異在積分之后將產(chǎn)生重大的誤差1。直流響應(yīng)的加速度傳感器卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題，因?yàn)槠漭敵瞿軌驕?zhǔn)確的跟隨緩慢變化的輸入。在實(shí)際的日常應(yīng)用中，輸入信號(hào)可能不是單純的半正弦脈沖，但是用交流耦合的傳感器測(cè)試任何緩慢變化的信號(hào)時(shí)這樣的問(wèn)題始終會(huì)存在。

現(xiàn)在我們看看各種常用的加速度傳感器技術(shù)。

交流響應(yīng)加速度傳感器最常用的交流響應(yīng)加速度傳感器是采用壓電元件作為其敏感單元的。當(dāng)有加速度輸入時(shí)，傳感器中的檢測(cè)質(zhì)量塊“移動(dòng)”使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號(hào)。從電學(xué)角看，壓電元件如同一個(gè)有源的電容器，其內(nèi)阻在10x9歐姆級(jí)別。由內(nèi)阻和電容決定了RC時(shí)間常數(shù)，這也決定了傳感器的高頻通過(guò)特性。由于這個(gè)原因，壓電加速度傳感器不能用于測(cè)量靜態(tài)事件。壓電元件可來(lái)自于自然界或人造。它們有不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換效率和線(xiàn)性。

市場(chǎng)上有兩類(lèi)壓電加速度傳感器-電荷輸出型，電壓輸出型。

電荷輸出型加速度傳感器主要的壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度范圍，寬的動(dòng)態(tài)量程，寬的頻率范圍(可用頻率>10kHz)。電荷輸出型加速度傳感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。由于具有抵抗嚴(yán)酷環(huán)境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，該傳感器需要配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，最好是同軸電纜。低噪音電纜是指指其具有低的摩擦電噪聲，這是一種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的來(lái)自電纜本身的噪聲。很多傳感器廠(chǎng)家同時(shí)提供這種低噪聲電纜。電荷放大器和電荷輸出型加速度傳感器連接，從而可以消除電纜電容和傳感器電容并聯(lián)帶來(lái)的影響。配合先進(jìn)的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很容易實(shí)現(xiàn)寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(>120dB)。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，有些傳感器可以用于-200°C到+400°C，甚至更寬溫度的環(huán)境。它們特別適合極限溫度下的振動(dòng)測(cè)試，如渦輪引擎的監(jiān)測(cè)。

電壓輸出型加速度傳感器另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號(hào)而不是電荷信號(hào)。這種傳感器的內(nèi)部包含了電荷放大器。電壓模式的傳感器有3線(xiàn)式(信號(hào)，地，電源)和2線(xiàn)式(信號(hào)/電源，地)。2線(xiàn)式又被稱(chēng)為集成電路式壓電傳感器(IEPE)。由于可以方便的采用同軸線(xiàn)(2線(xiàn)，芯線(xiàn)和屏蔽線(xiàn))連接，IEPE非常流行。該模式下，交流信號(hào)疊加在直流電源上。在輸出端串聯(lián)一個(gè)耦合電容能夠去掉傳感器的直流偏置電壓，從而僅獲得傳感器信號(hào)輸出。許多現(xiàn)代儀器提供IEPE/ICP輸入接口，從而可以和IEPE傳感器直接連接。如果IEPE供電接口不可用，需要一個(gè)帶有恒流源的信號(hào)放大器和IEPE傳感器一期使用。3線(xiàn)式傳感器則需要一根單獨(dú)的直流電源線(xiàn)供電。與電荷輸出型加速度傳感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳感器包含一個(gè)微型電路，電路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過(guò)125°C。也有一些設(shè)計(jì)提高到了175°C，但其在其它性能方面會(huì)有所下降。可用動(dòng)態(tài)范圍-由于壓電陶瓷元件具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，電荷輸出型加速度傳感器在量程定義上顯得十分靈活，因?yàn)槠錆M(mǎn)量程可以通過(guò)遠(yuǎn)程的電荷放大器由用戶(hù)自由調(diào)節(jié)。而電壓輸出型加速度傳感器具有既定的滿(mǎn)量程，其決定于內(nèi)部的電荷放大器，一旦由工廠(chǎng)生產(chǎn)出來(lái)，將不再能改變。