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低頻加速度傳感器的技術(shù)原理與特點(diǎn)

工程振動(dòng)量值的物理參數(shù)常用位移、速度和加速度來(lái)表示。由于在通常的頻率范圍內(nèi)振動(dòng)位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之間都可互相轉(zhuǎn)換，所以在實(shí)際使用中振動(dòng)量的大小一般用加速度的值來(lái)度量。常用單位為：米/秒2(m/s2)，或重力加速度(g)。

描述振動(dòng)信號(hào)的另一重要參數(shù)是信號(hào)的頻率。絕大多數(shù)的工程振動(dòng)信號(hào)均可分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信號(hào)，因此，對(duì)某一振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量，實(shí)際上是對(duì)組成該振動(dòng)信號(hào)的正弦頻率分量的測(cè)量。對(duì)傳感器主要性能指標(biāo)的考核也是根據(jù)傳感器在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量幅值精度的高低來(lái)評(píng)定。

電荷輸出型加速度計(jì)不適合用于低頻測(cè)量

由于低頻振動(dòng)的加速度信號(hào)都很微小，而高阻抗的小電荷信號(hào)非常容易受干擾;當(dāng)測(cè)量對(duì)象的體積越大，其測(cè)量頻率越低，則信號(hào)的信噪比的問(wèn)題更為突出。因此在目前帶內(nèi)置電路加速度傳感器日趨普遍的情況下應(yīng)盡量選用電噪聲比較小，低頻特性優(yōu)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(guī)定的傳感器頻率響應(yīng)幅值誤差(±5%,±10%或±3dB)內(nèi)傳感器所能測(cè)量的最低頻率信號(hào)。誤差值越大其低頻截止頻率也相對(duì)越低。所以不同傳感器的低頻截止頻率指標(biāo)必須在相同的誤差條件下進(jìn)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內(nèi)置電路的綜合電參數(shù)所決定的。其頻率響應(yīng)特性可以用模擬電路的一階高通濾波器特性來(lái)描述，所以傳感器的低頻響應(yīng)和截止頻率完全可以用一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)確定。從實(shí)用角度來(lái)看，由于傳感器的甚低頻頻率響應(yīng)的標(biāo)定比較困難，而通過(guò)傳感器對(duì)時(shí)間域內(nèi)階躍信號(hào)的響應(yīng)可測(cè)得傳感器的時(shí)間常數(shù);因此利用傳感器的低頻響應(yīng)與一階高通濾波器的特性幾乎一致的特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算可方便地獲得傳感器的低頻響應(yīng)和與其對(duì)應(yīng)的低頻截至頻率。

傳感器的靈敏度，低頻噪聲特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍

用于低頻測(cè)量的傳感器一般要求有比較高的靈敏度以滿足低頻小信號(hào)的測(cè)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(dá)到10V/g或更高，但是靈敏度高往往帶來(lái)其他的負(fù)面效應(yīng)，比如傳感器的穩(wěn)定性，抗過(guò)載能力，以及對(duì)周邊環(huán)境干擾的敏感性。因此追求過(guò)高靈敏度并不一定能解決微小信號(hào)的測(cè)量，相反高分辨率和低噪聲的傳感器在工程應(yīng)用中往往更容易解決實(shí)際問(wèn)題。所以選用具有低電噪聲的傳感器在低頻測(cè)量中尤為重要。

為了表明傳感器所能測(cè)量的最小信號(hào)大部分商業(yè)化的加速度計(jì)也都提供分辨率或電噪聲指標(biāo)。國(guó)內(nèi)絕大部分傳感器的寬帶電噪聲指標(biāo)一般都標(biāo)為20μV，而B(niǎo)W-sensor的寬帶電噪聲指標(biāo)已降低到10μV。然而對(duì)低頻小信號(hào)測(cè)量來(lái)說(shuō)，僅提供寬頻帶的電噪聲并不能完全反映傳感器在低頻范圍內(nèi)加速度測(cè)量的分辨率;這是因?yàn)橛蓛?nèi)置電路引起的低頻噪聲大小與頻率的倒數(shù)成正比，即所謂1/f噪聲，當(dāng)測(cè)量頻率很低時(shí)傳感器的電噪聲輸出按指數(shù)幅度增長(zhǎng)。所以傳感器的低頻電噪聲的數(shù)值與寬帶電噪聲指標(biāo)是完全不同的而且頻率越低這種差別越明顯。因此用于甚低頻測(cè)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。此指標(biāo)的實(shí)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(lái)表示。BW-sensor內(nèi)置電路電噪聲功率譜密度的典型值為3μV/√Hz@10Hz。

傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)對(duì)低頻測(cè)量的影響

由于壓電陶瓷的特性，壓電式加速度計(jì)對(duì)溫度的突然變化都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電荷輸出。傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)指標(biāo)就是衡量傳感器對(duì)溫度變化的敏感程度。這對(duì)低頻測(cè)量尤為重要。由于低頻測(cè)量的信號(hào)很小，而傳感器因環(huán)境溫度變化極可能產(chǎn)生與低頻振動(dòng)信號(hào)相當(dāng)?shù)恼`差;這兩種信號(hào)在甚低頻范圍內(nèi)很難區(qū)分，因此如何減小環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器輸出的影響在低頻測(cè)量中顯得非常重要。傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)指標(biāo)單位是g/oC,表示瞬態(tài)溫度每變化一度所相當(dāng)?shù)募铀俣容敵觯渲凳峭ㄟ^(guò)電壓(電荷)輸出和傳感器靈敏度之間的換算得到的。

傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)是由壓電材料直接導(dǎo)致的，因此壓電陶瓷對(duì)由溫度突變所致的電荷輸出大小決定了這一指標(biāo)的好壞。BW-sensor選用目前國(guó)外綜合性能指標(biāo)最好的壓電陶瓷并結(jié)合記憶金屬制成的用于低頻測(cè)量的加速度傳感器經(jīng)國(guó)防兵器、航天和大型結(jié)構(gòu)多年的使用驗(yàn)證了傳感器具有優(yōu)越的低頻輸出穩(wěn)定性和抗干擾性能。實(shí)際甚低頻測(cè)量中，為了減低環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器低頻信號(hào)輸出的影響，傳感器的外殼盡可能采用隔熱保護(hù)套。

傳感器的安裝基座和基座應(yīng)變對(duì)測(cè)量的影響

由于低頻測(cè)量傳感器對(duì)高頻響應(yīng)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(gè)問(wèn)題，其一是傳感器應(yīng)盡量考慮使用絕緣底座以避免任何由對(duì)地回路引起的噪聲影響測(cè)量信號(hào)。其二是應(yīng)考慮傳感器安裝處的被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變對(duì)傳感器輸出的影響，即傳感器應(yīng)變靈敏度大小。剪切結(jié)構(gòu)形式的壓電加速度傳感器具有良好的基座應(yīng)變特性，一般都能滿足通常的低頻結(jié)構(gòu)測(cè)試。如果結(jié)構(gòu)應(yīng)變過(guò)大對(duì)傳感器的測(cè)量信號(hào)有影響，可通過(guò)減小傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)之間的接觸面積來(lái)降低結(jié)構(gòu)應(yīng)變對(duì)傳感器測(cè)量帶來(lái)的影響。

與傳感器高頻指標(biāo)相對(duì)應(yīng)，傳感器的低頻測(cè)量指標(biāo)通常由低頻截止頻率來(lái)確定，同樣一定低頻截止頻率與對(duì)應(yīng)的幅值誤差相關(guān)。和高頻特性不同，傳感器的低頻特性與傳感器的任何機(jī)械參數(shù)無(wú)關(guān)，而僅取決于傳感器的電特性參數(shù)。當(dāng)然傳感器作為測(cè)量系統(tǒng)的某一部分，測(cè)量信號(hào)的低頻特性還將受到與傳感器配用的后繼儀器電參數(shù)的制約。根據(jù)輸出信號(hào)的不同形式，以下將對(duì)電荷輸出和低阻電壓輸出加速度傳感器分別給與討論。

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(cè)量信號(hào)的低頻特性由后繼電荷放大器確定。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電荷型傳感器的芯體絕緣阻抗遠(yuǎn)大于電荷放大器輸入端的輸入阻抗時(shí)，由傳感器和電荷放大器組成的測(cè)量系統(tǒng)其低頻截至頻率應(yīng)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(shí)傳感器則可能影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的低頻特性。因此保證芯體的絕緣阻抗對(duì)電荷輸出型加速度傳感器的低頻測(cè)量非常重要。

對(duì)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(cè)量系統(tǒng)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(mén)用于低頻測(cè)量的傳感器低頻截至頻率可擴(kuò)展到0.1Hz。由于傳感器的低頻校驗(yàn)比較困難，所以制造廠商一般只提供10Hz以上的測(cè)試數(shù)據(jù)。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(guò)實(shí)測(cè)時(shí)間常數(shù)來(lái)檢查傳感器的實(shí)際低頻響應(yīng)。

用IEPE型壓電型加速度傳感器測(cè)量甚低頻加速度信號(hào)還需要注意的問(wèn)題有：當(dāng)傳感器和恒流電壓源交流耦合的低頻截至頻率相當(dāng)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的低頻特性是由傳感器和恒流電壓源的各自低頻響應(yīng)組合而成，此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)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(cè)量系統(tǒng)傳感器應(yīng)配用帶直流平衡的恒流電壓源，這樣系統(tǒng)的低頻響應(yīng)將完全取決于傳感器的低頻截至頻率。

當(dāng)傳感器用于甚低頻測(cè)量時(shí)，能否準(zhǔn)確測(cè)量低頻信號(hào)并不完全決定與系統(tǒng)的低頻響應(yīng)特性，系統(tǒng)的低頻電噪聲大小也將直接影響低頻信號(hào)的測(cè)量。另外傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)大小也將直接影響傳感器的低頻測(cè)量。