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低频加速度传感器的技术原理及特点

来源:www.hangxingongsi.com    发布时间:2017-06-23

工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小,且位移、速度和加速度之间都可互相转换,所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为:米/秒2(m/s2),或重力加速度(g)。


  描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号,因此,对某一振动信号的测量,实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。


  电荷输出型加速度计不适合用于低频测量


  由于低频振动的加速度信号都很微小,而高阻抗的小电荷信号非常容易受干扰;当测量对象的体积越大,其测量频率越低,则信号的信噪比的问题更为突出。因此在目前带内置电路加速度传感器日趋普遍的情况下应尽量选用电噪声比较小,低频特性优良的低阻抗电压输出型压电加速度传感器


  传感器的低频截止频率


  与传感器的高频截止频率类同,低频截止频率是指在所规定的传感器频率响应幅值误差(±5%,±10%或±3dB)内传感器所能测量的最低频率信号。误差值越大其低频截止频率也相对越低。所以不同传感器的低频截止频率指标必须在相同的误差条件下进行比较。


  低阻抗电压输出型传感器的低频特性是由传感器敏感芯体和内置电路的综合电参数所决定的。其频率响应特性可以用模拟电路的一阶高通滤波器特性来描述,所以传感器的低频响应和截止频率完全可以用一阶系统的时间常数来确定。从实用角度来看,由于传感器的甚低频频率响应的标定比较困难,而通过传感器对时间域内阶跃信号的响应可测得传感器的时间常数;因此利用传感器的低频响应与一阶高通滤波器的特性几乎一致的特点,通过计算可方便地获得传感器的低频响应和与其对应的低频截至频率。


  传感器的灵敏度,低频噪声特性和动态响应范围


  用于低频测量的传感器一般要求有比较高的灵敏度以满足低频小信号的测量。但灵敏度的增加往往是有限的。虽然加速度传感器灵敏度是能达到10V/g或更高,但是灵敏度高往往带来其他的负面效应,比如传感器的稳定性,抗过载能力,以及对周边环境干扰的敏感性。因此追求过高灵敏度并不一定能解决微小信号的测量,相反高分辨率和低噪声的传感器在工程应用中往往更容易解决实际问题。所以选用具有低电噪声的传感器在低频测量中尤为重要。


  为了表明传感器所能测量的最小信号大部分商业化的加速度计也都提供分辨率或电噪声指标。国内绝大部分传感器的宽带电噪声指标一般都标为20μV,而BW-sensor的宽带电噪声指标已降低到10μV。然而对低频小信号测量来说,仅提供宽频带的电噪声并不能完全反映传感器在低频范围内加速度测量的分辨率;这是因为由内置电路引起的低频噪声大小与频率的倒数成正比,即所谓1/f噪声,当测量频率很低时传感器的电噪声输出按指数幅度增长。所以传感器的低频电噪声的数值与宽带电噪声指标是完全不同的而且频率越低这种差别越明显。因此用于甚低频测量的传感器其分辨率常用传感器输出电噪声的功率谱密度表示。此指标的实用意义是传感器在特定频率下的噪声大小,其单位是一般用μV/√Hz或μg/√Hz来表示。BW-sensor内置电路电噪声功率谱密度的典型值为3μV/√Hz@10Hz。


  传感器的瞬态温度响应对低频测量的影响


  由于压电陶瓷的特性,压电式加速度计对温度的突然变化都会产生不同程度的电荷输出。传感器的瞬态温度响应指标就是衡量传感器对温度变化的敏感程度。这对低频测量尤为重要。由于低频测量的信号很小,而传感器因环境温度变化极可能产生与低频振动信号相当的误差;这两种信号在甚低频范围内很难区分,因此如何减小环境温度变化对传感器输出的影响在低频测量中显得非常重要。传感器的瞬态温度响应指标单位是g/oC,表示瞬态温度每变化一度所相当的加速度输出,其值是通过电压(电荷)输出和传感器灵敏度之间的换算得到的。


  传感器的瞬态温度响应是由压电材料直接导致的,因此压电陶瓷对由温度突变所致的电荷输出大小决定了这一指标的好坏。BW-sensor选用目前国外综合性能指标最好的压电陶瓷并结合记忆金属制成的用于低频测量的加速度传感器经国防兵器、航天和大型结构多年的使用验证了传感器具有优越的低频输出稳定性和抗干扰性能。实际甚低频测量中,为了减低环境温度变化对传感器低频信号输出的影响,传感器的外壳尽可能采用隔热保护套。


  传感器的安装基座和基座应变对测量的影响


  由于低频测量传感器对高频响应的要求不高因此传感器使用任何种安装方式一般都能满足要求。但需要注意两个问题,其一是传感器应尽量考虑使用绝缘底座以避免任何由对地回路引起的噪声影响测量信号。其二是应考虑传感器安装处的被测结构应变对传感器输出的影响,即传感器应变灵敏度大小。剪切结构形式的压电加速度传感器具有良好的基座应变特性,一般都能满足通常的低频结构测试。如果结构应变过大对传感器的测量信号有影响,可通过减小传感器与被测结构之间的接触面积来降低结构应变对传感器测量带来的影响。


  与传感器高频指标相对应,传感器的低频测量指标通常由低频截止频率来确定,同样一定低频截止频率与对应的幅值误差相关。和高频特性不同,传感器的低频特性与传感器的任何机械参数无关,而仅取决于传感器的电特性参数。当然传感器作为测量系统的某一部分,测量信号的低频特性还将受到与传感器配用的后继仪器电参数的制约。根据输出信号的不同形式,以下将对电荷输出和低阻电压输出加速度传感器分别给与讨论。


  尽管电荷型输出加速度传感器列出低频截止频率,但一般都给予指出测量信号的低频特性由后继电荷放大器确定。在实际应用中,当电荷型传感器的芯体绝缘阻抗远大于电荷放大器输入端的输入阻抗时,由传感器和电荷放大器组成的测量系统其低频截至频率应该由电荷放大器的低频特性所决定。但是如果传感器的芯体绝缘阻抗下降,此时传感器则可能影响整个测量系统的低频特性。因此保证芯体的绝缘阻抗对电荷输出型加速度传感器的低频测量非常重要。


  对于IEPE传感器配用的恒流电压源,其通常的低频截至频率为0.1Hz(-5%)。因此一般情况下测量系统的低频特性是由传感器的低频截至频率所决定。通用型传感器的低频截止频率大多为0.5Hz~1Hz,专门用于低频测量的传感器低频截至频率可扩展到0.1Hz。由于传感器的低频校验比较困难,所以制造厂商一般只提供10Hz以上的测试数据。但传感器的低频特性与一阶高通滤波器非常吻合,所以用户可以通过实测时间常数来检查传感器的实际低频响应。


  用IEPE型压电型加速度传感器测量甚低频加速度信号还需要注意的问题有:


  当传感器和恒流电压源交流耦合的低频截至频率相当时,测量系统的低频特性是由传感器和恒流电压源的各自低频响应组合而成,此时测量系统的低频截止频率要高于传感器或恒流电压源各自的低频截止频率。理想的测量系统传感器应配用带直流平衡的恒流电压源,这样系统的低频响应将完全取决于传感器的低频截至频率。


  当传感器用于甚低频测量时,能否准确测量低频信号并不完全决定与系统的低频响应特性,系统的低频电噪声大小也将直接影响低频信号的测量。另外传感器的瞬态温度响应大小也将直接影响传感器的低频测量。

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