压电式加速度传感器的应用

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压电式加速度传感器是一种自发式传感器,其输出电荷与所感受的加速度成正比。它具有精确度高、频响宽、动态范围大、尺寸小、重量轻、寿命长、易于安装、稳定性好等特点。目前常用的是铁电材料,这是一种经过人工极化处理而具有压电性质的人工陶瓷,采用良好的配制烧结工艺可以得到很高的压电灵敏度和工作温度,经过老化处理后可以保证长期温度稳定性,它易于制成各种形状的敏感元件,已先后制成了各种结构形式的加速度传感器。每种加速度传感器技术都有其优缺点。在作出选择之前,明确它们的区别和应用条件是非常重要的。本文将帮助读者正确的选择加速度传感器。

一、基本的压电式加速度传感器类型

总的来说有两类压电式加速度传感器:交流响应压电式加速度传感器和直流响应压电式加速度传感器。交流响应压电式加速度传感器的输出是交流耦合的。此类传感器不能用来测试静态的加速度,比如重力加速度和离心加速度。他们仅适合测量动态事件。而直流响应压电式加速度传感器,具有直流耦合输出,能够响应低至0赫兹的加速度信号。因此直流响应压电式加速度传感器适合同时测试静态和动态的加速度。并不是只有需要测试静态加速度时才选择直流响应压电式加速度传感器。

二、现在我们看看各种常用的压电式加速度传感器技术。

交流响应压电式加速度传感器最常用的交流响应压电式加速度传感器是采用压电元件作为其敏感单元的。当有加速度输入时,传感器中的检测质量块"移动"使压电元件产生正比于输入加速度的电荷信号。从电学角看,压电元件如同一个有源的电容器,其内阻在10x9欧姆级别。由内阻和电容决定了RC时间常数,这也决定了传感器的高频通过特性。由于这个原因,压式电加速度传感器不能用于测量静态事件。压电元件可来自于自然界或人造。它们有不同的信号转换效率和线性。

三、选择压电式加速度传感器时的基本原则

选择一般应用场合的压电式加速度传感器时,要从三个方面全面考虑:

  1. 振动量值的大小

作为一般的原则,灵敏度高的传感器量程范围小,反之灵敏度低的量程范围大,而且一般情况下,灵敏度越高,敏感芯体的质量块越大,其谐振频率也越低,如果谐振波叠加在被测信号上,会造成失真输出,因此选择时除了要注意在量程上保留足够的安全空间外,还要注意分析被测信号频率组成及传感器自身谐振频率。

     2.信号频率范围

传感器的高、低截止频率与误差直接相关,允许的误差范围越大其频率范围越宽。一般来说,传感器高频响应取决于机械特性,而低频响应由传感器及其后继电路综合电参数决定,频率截止高的传感器必然是体积小重量轻,反之用于低频测量的一般都体积大重量重。

      3.测试现场环境

现场环境中对传感器影响较大的是温度,而ICP传感器由于受供电电压和偏置电压的制约,在非室温条件中,传感器偏置电压很可能会不断缓慢漂移造成信号忽大忽小,所以一般非室温环境下不推荐使用ICP型传感器。(尤其注意ICP传感器使用中不要长时间手握,否则很容易造成此类现象)。

四、市场上有两类压电加速度传感器-电荷输出型,电压输出型。

电荷输出型加速度传感器主要的压电加速度传感器采用锆钛酸盐陶瓷,具有很宽的工作温度范围,宽的动态量程,宽的频率范围(可用频率>10kHz)。电荷输出型加速度传感器把压电陶瓷封装在具有气密性的金属外壳中。由于具有抵抗严酷环境的能力,其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗,该传感器需要配合电荷放大器和低噪声屏蔽电缆使用,最好是同轴电缆。低噪音电缆是指指其具有低的摩擦电噪声,这是一种运动产生的来自电缆本身的噪声。很多传感器厂家同时提供这种低噪声电缆。电荷放大器和电荷输出型加速度传感器连接,从而可以消除电缆电容和传感器电容并联带来的影响。配合先进的电荷放大器,电荷输出型加速度传感器很容易实现宽的动态响应(>120dB)。由于压电陶瓷的工作温度范围很宽,有些传感器可以用于-200°C到+400°C,甚至更宽温度的环境。它们特别适合极限温度下的振动测试,如涡轮引擎的监测。

电压输出型加速度传感器另一种压电加速度传感器输出电压信号而不是电荷信号。这种传感器的内部包含了电荷放大器。电压模式的传感器有3线式(信号,地,电源)和2线式(信号/电源,地)。2线式又被称为集成电路式压电传感器(IEPE)。由于可以方便的采用同轴线(2线,芯线和屏蔽线)连接,IEPE非常流行。该模式下,交流信号叠加在直流电源上。在输出端串联一个耦合电容能够去掉传感器的直流偏置电压,从而仅获得传感器信号输出。许多现代仪器提供IEPE/ICP输入接口,从而可以和IEPE传感器直接连接。

如果IEPE供电接口不可用,需要一个带有恒流源的信号放大器和IEPE传感器一期使用。3线式传感器则需要一根单独的直流电源线供电。与电荷输出型加速度传感器不同的是,除了压电陶瓷元件,电压输出型加速度传感器包含一个微型电路,电路的工作温度范围限制了传感器的整体工作温度范围,通常不超过125°C。也有一些设计提高到了175°C,但其在其它性能方面会有所下降。可用动态范围-由于压电陶瓷元件具有极宽的动态范围,电荷输出型加速度传感器在量程定义上显得十分灵活,因为其满量程可以通过远程的电荷放大器由用户自由调节。而电压输出型加速度传感器具有既定的满量程,其决定于内部的电荷放大器,一旦由工厂生产出来,将不再能改变。

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