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加速度计及电荷放大器的工程应用

一、压电传感器的发展及特点
  我们通常使用的压电加速度传感器(简称加速度计)是根据压电原理制作而成。压电效应在1880年就被发现,在二十世纪四十年代前它一直被认为是奇怪的现象:一些晶体在受到机械作用时产生的微弱的电荷特性。直到高输入阻抗放大器的出现才开始得到实际应用,通过压电加速度传感器与电荷放大器的配合使用,可以得到经过放大的还原信号。
  加速度计的压电材料一般为压电陶瓷,而石英和天然宝石这类具有压电效应的材料因价格高,压电系数低而不能得到大量推广。国内测振传感器一般均用PZT-5压电陶瓷制作。
  基于压电原理制作的加速度计结构有中心压缩型(一般用于冲击测量)、平面型、环型、三角型(抗基座干扰好),并为之广泛应用,它较伺服式加速度计、压阻式加速度计和磁电速度计有更宽的频率范围,更可靠的使用寿命及更合理的性价比。
  在加速度计内部,压电材料是装在底坐与惯性质量块之间,根据牛顿第二定律F=ma,作用于测量元件上的力与加速度成正比、产生的电荷与力成正比,因此电荷与加速度成正比。压电加速度计不适合测量恒定的加速度,它可以作为振动、冲击方面的加速度测量,也可经过电荷放大器的积分电路转换得到速度值和位移值。
二、不同工况的加速度计使用
  选择加速度计要参考被测加速度量值和被测结构频率来确定。
  一般说,被测结构如果是机械结构,如车辆底盘、机床、中小型动力机械等,他们的振动一般在几十个g~百余g左右,频率在十几Hz至几百Hz,选择通用型加速度计为好,即使多点测量,传感器自身质量也不会影响被测物状态。
冲击、爆破等测试工况如激波风洞、核爆化爆、燃烧,它们的动态响应快,而模态测量的多点现象则要求加速度计其质量不改变被测物状态,这就要靠小型加速度计来担当传感任务,这种传感器频率范围宽,自身重量轻(几克至十几克),频响在10KHz左右。
  土木结构、大型钢结构、水利设施、军工品运输等均属低频低振动范围,可选择低频传感器。
  结构的多点测量要考虑地回路产生的电位差对测量的影响。测试技术要求系统一点接地,可采用多测点传感器浮地而由后级仪器接地。目前我们推荐的是采用高强度绝缘螺钉,它与传感器配合后的频响特性可接近原传感器刚性安装频响。
三、低阻抗压电式传感器(IEPE)
  1966年,瑞士奇石乐公司开发出第一个商用型具有内置电路的压电式传感器,它由MOSFET输入电路为主要元件,集成为芯片,它的输入阻抗极高,可达1014Ω,输出阻抗较低(100Ω),将压电晶体产生的电荷信号转换为不易受干扰和易于处理的电压信号。采用两根导线即可工作:芯线作为供电并供信号输出,屏蔽线作为地线。它的优点是价优、抗干扰好,此种产品可与恒流适配器配合或与具有恒流源的数据采集器配套。
  由于美国压电公司的内置电路传感器在国内用户较多,国内习惯叫法ICP型。IEPE型传感器由于是低阻输出,它的接头部分对绝缘阻抗要求不高。
四、电荷放大器及使用
  在上世纪四十年代出现了高阻抗仪器以后,压电材料的压电效应才得到充分的发挥,电荷放大器是将加速度计产生的电荷信号转换为易于传输、处理的电压量信号的专用仪器,在我国,约在六十年代中期至七十年代,才开始研制生产电荷放大器和加速度传感器。
  在这里,我们就工程测量中如何用好电荷放大器进行讨论。
  1、电荷放大器的种类
  由于电荷放大器的功能主要是电荷与电压的转换,几十年来它的发展不大,近二十年来也未有突破性的发展,就是在电子技术飞跃发展的今天也是如此。目前市场上品种有:供多点测量的多通道型(一般为八通道以内);精度较高、量程与滤波器分档较细的单台形式;可测加速度、速度、位移的双积分形式;可对动态力、动态压力、压力传感器进行准静态标定和动态测量的准静态型;有功能较为齐全的(可配电荷型加速度计、IC加速度计,电压型速度计,兼有抗混迭滤波和积分功能)多功能放大器;与采集器组合的程控型;再就是将电荷放大器与动态应变仪组合在一起等。
  2、电荷放大器性能问题
  做一个电荷、电压转换装置以现在的技术不难,电荷放大器的电路图出现在各个版本的振动手册上。要做一个稳定性好、适合多种测量环境的电荷放大器就极不容易,制造者必须掌握多方面的知识。
  由于压电加速度计是高阻抗输出产品,配套的电荷放大器也必须与之匹配,输入阻抗一般均大于109,如要得到良好的低频测量效果和低噪声,甚至要大于1012以上。
  抗极强磁电场也十分关键。高阻抗仪器,如不能做到很好屏蔽,将会带来各种干扰,我们在这方面做了大量工作。在一些测试场合,如中国科技大学力学系以爆轰为主的几个实验室,对电荷放大器在抗干扰上就有极深的体会。一个优质的电荷放大器产品,应可以适合多种测试场合,具有较为广谱的抗各种干扰的能力。
  3、归一化开关的去舍
  较早进入中国市场的振动测量仪器是以丹麦B&K公司的2626、2635型电荷放大器为代表,由此电荷放大器带归一化开关成了趋势。但国产电荷放大器的归一化开关随着时间推移易产生氧化;归一化开关的小数点定位容易搞错,鉴于这一点,我们公司的工程技术人员在部分电荷放大器上摒弃了传统的做法。没有归一化开关的电荷放大器可靠性更高,计算也更为方便。
  4、滤波器的正确使用
  图一给出的是典型的电荷放大器滤波特性,从图中看出,电荷放大器标称滤波档位(可称为截止频率点)实际上是设定在-3dB点(即实际信号的0.707倍),在测试中要想得到准确的数据,就要用好滤波器,既要滤除无用信号,又要真实的反映测量值,扬州科动的说明书上给出一个参考标准:低通滤波器设置高于被测频率的三倍,高通滤波器设置应低于被测频率的1/10。例:测量一个主频为100Hz的信号,低通滤波器设在0.3KHz档,高通滤波器设在10Hz档。


  5、低频低振测试问题
  要用压电加速度计进行大型结构物、大型构件、桥梁等原型测量,除要选择低频传感器和注意传感器使用事项外,选对电荷放大器也是关键,例如,用下限为0.3Hz的电荷放大器的测试结果去与伺服加速度传感器做对比,测试数据将会相差较大。如选择下限为0.1Hz的仪器,其数据将更为可靠。经验告诉我们,加速度计与电荷放大器配套,其系统下限主要取决于电荷放大器的下限频率。
  对一些低振的测量,在质量允许的情况下,我们应该选择高灵敏度的传感器,以提高信噪比。
应该注意,如选用压电型传感器测量极低频率,如0.5Hz以下应注意几点:1、压电传感器与电荷放大器自身绝缘阻抗要高,这涉及到生产工艺问题和用户对仪器的自身维护问题,使用中接头部分(导线接头、传感器和放大器接头)均应用无水乙醇或丙酮清洗、烘干。2、仪器应有足够低的下限,一般要用0.1Hz这一档位。3、安装面的平整度。

 

 
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