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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)信號的另一重要參數(shù)是信號的頻率。絕大多數(shù)的工程振動(dòng)信號均可分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信號，因此，對某一振動(dòng)信號的測量，實(shí)際上是對組成該振動(dòng)信號的正弦頻率分量的測量。對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)測量幅值精度的高低來評定。
電荷輸出型加速度計(jì)不適合用于低頻測量
由于低頻振動(dòng)的加速度信號都很微小，而高阻抗的小電荷信號非常容易受干擾;當(dāng)測量對象的體積越大，其測量頻率越低，則信號的信噪比的問題更為突出。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)傳感器所能測量的最低頻率信號。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)來確定。從實(shí)用角度來看，由于傳感器的甚低頻頻率響應(yīng)的標(biāo)定比較困難，而通過傳感器對時(shí)間域內(nèi)階躍信號的響應(yīng)可測得傳感器的時(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)，通過計(jì)算可方便地獲得傳感器的低頻響應(yīng)和與其對應(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(dá)到10V/g或更高，但是靈敏度高往往帶來其他的負(fù)面效應(yīng)，比如傳感器的穩(wěn)定性，抗過載能力，以及對周邊環(huán)境干擾的敏感性。因此追求過高靈敏度并不一定能解決微小信號的測量，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號大部分商業(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BW-sensor的寬帶電噪聲指標(biāo)已降低到10μV。然而對低頻小信號測量來說，僅提供寬頻帶的電噪聲并不能完全反映傳感器在低頻范圍內(nèi)加速度測量的分辨率;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)測量頻率很低時(shí)傳感器的電噪聲輸出按指數(shù)幅度增長。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)對低頻測量的影響
由于壓電陶瓷的特性，壓電式加速度計(jì)對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。由于低頻測量的信號很小，而傳感器因環(huán)境溫度變化極可能產(chǎn)生與低頻振動(dòng)信號相當(dāng)?shù)恼`差;這兩種信號在甚低頻范圍內(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^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量的加速度傳感器經(jīng)國防兵器、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)際甚低頻測量中，為了減低環(huán)境溫度變化對傳感器低頻信號輸出的影響，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)變對測量的影響
由于低頻測量傳感器對高頻響應(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地回路引起的噪聲影響測量信號。其二是應(yīng)考慮傳感器安裝處的被測結(jié)構(gòu)應(yīng)變對傳感器輸出的影響，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)測試。如果結(jié)構(gòu)應(yīng)變過大對傳感器的測量信號有影響，可通過減小傳感器與被測結(jié)構(gòu)之間的接觸面積來降低結(jié)構(gòu)應(yīng)變對傳感器測量帶來的影響。
與傳感器高頻指標(biāo)相對應(yīng)，傳感器的低頻測量指標(biāo)通常由低頻截止頻率來確定，同樣一定低頻截止頻率與對應(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)然傳感器作為測量系統(tǒng)的某一部分，測量信號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)輸出信號的不同形式，以下將對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量信號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)測量系統(tǒng)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(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,專門用于低頻測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，所以用戶可以通過實(shí)測時(shí)間常數(shù)來檢查傳感器的實(shí)際低頻響應(yīng)。
用IEPE型壓電型加速度傳感器測量甚低頻加速度信號還需要注意的問題有：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量時(shí)，能否準(zhǔn)確測量低頻信號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的測量。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量。
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