内置电路加速度计的应用研究
2020-07-27
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摘要 内置电路加速度计是一种安装方便、价格低廉的新品种,本文介绍了该类传感器的特点及在工程测试应用时需注意的事项。
关键词 加速度 测振 抗干扰 内置电路
中图分类号 TP934
    1 内置电路加速度传感器
    1.1 问题的提出
    在许多振动测试工作中,如模态试验、机械故障检测、桩基检测等,都采用各种类型的压电加速度计配上电荷放大器进行测量。随着工程测量对方便性、经济性提出的更高要求,也引起下面一些问题:结构模态试验中大量应用加速度计,相应要配用大量电荷放大器,这会增加投资;机械故障检测时传统的方式是加速度计→电荷前置器→监测器,这种配置会将现场的电磁场信号经连接导线引入;桩基等土建工程的环境较差,移动频繁,因此在测试过程中必须减少中间环节。为了采用更好的办法解决上述问题,一种新的内置电荷放大器的加速度计正被应用到工程测量中。
    1.2 内置电路加速度计
    内置电路加速度计(简称IEPE)类型传感器的工作原理如图1所示(虚线内为传感器部分):当晶体中受振动时,根据压电效应即产生电荷信号,信号进入传感器内置的电路(阻抗变换)。电路的工作电压是通过电源E供给的,通过恒流源方式供电路工作,同时A点也是信号输出端,从而实现了二线工作的方式(一线为地,一线为电源与信号输出共有)。这样简易的设计使得加速度计应用更方便。
上述设计改变了传统内置电路加速度计的电源供电方式。原有的两种方式是:单电源供电时要有正电源、地、输出3根线。另一种为正负电源,需要4根线。
    2 关于内置电路加速度计应用的几个问题
    2.1 灵敏度
    压电内置加速度计灵敏度的作用是指该传感器在受单位机械量作用下所产生的正比量电压输出,这是传感器的一项重要的指标,应根据被测对象来选择它的大小。

图1 内置电路加速度计应用接线图

    决定ICP型传感器及使用范围的因素有3个:a.由压电加速度计自身电荷灵敏度决定。b.取决于电路特性。一般内置电路采用的是阻抗变换器,它不具备放大作用,而且电荷信号与输出电压的传输系数<1。有时为了提高加大能力,在电路设计上采取放大,这给船舶、土木建筑等大型低频结构的测试带来了方便。使用者必须对购得的传感器的放大倍数、噪声指标有所了解,一般折合在输入端的噪声应小于10μV。c.取决于该传感器的最大输出电压。一般厂商给出的输出电压为±5Vp,只要传感器灵敏度选择正确,将输出电压控制在0.7~5Vp范围内即可。如何确定传感器灵敏度的选择范围,笔者认为在选型前最好先预测或估计一下振动量,这对批量订购传感器显得尤为重要。另外,机械故障检测所需传感器灵敏度范围在5~15mV/m•s-2,而土木建筑结构测量选型范围大于20 mV/m•s-2即可。
    2.2 频响
    频响是指一个传感器接收到的不衰减信号的频率范围。普通的加速度计因其结构、体积、重量、材料的不同,其自身的频率响应各不相同。一般说,压电类加速度计的频响与体积成反比,即体积、重量越大,传感器可测频响越低。灵敏度越高而体积小,质量轻的传感器,可能是用了较大倍数的放大电路,在低频或超低频的测试中,此类传感器会产生低频晃动,用户应注意选择。刚性好、体积小的传感器的频响就高,适合高振、大冲击场合。铝质材料或大体积的传感器的频响低,适用于低振的大结构测量。使用者可根据自己的测试对象来选型。对通用加速度计,可根据所附频响曲线图知道其频响。
内置式加速度计除要具备普通加速度计的上述特性外,频响还受自身电路的特性影响。虽然一般电路的频响可以做得很宽,其范围远超过传感器自身,但实际上会有很多因素在改变传感器的频响,如a.为了测量需要,将滤波器放入电路设计,频率范围将限制在指定范围。b.多数记录分析仪器不希望有直流偏置,为了隔离内置电路传感器的直流偏置(一般偏置电压在7V~12V),需用电容去隔直,这样隔直电容与后级仪器的输入阻抗会形成一个高通滤波器。如果选择的电容在1~10μF之间,则可根据公式f=1/2πRC,测量范围也在1Hz左右。c.长电缆的电容,也会对传感器频响产生一定的影响,但由于内置电路的优良性能,这个影响并不明显。笔者用2m和200m的STYV-2低噪声电缆进行试验,某型号的传感器的谐振频率均为25kHz(200m长线与2m线的精度相比误差约为5%)。
    2.3 抗干扰问题
    由于测试现场存在各种干扰因素,所得信号往往混杂着很多干扰和噪声,各种干扰的来源有:a.接地不良或安装不合理产生的地电位差。b.仪器电路因器件选择不当或电路设计不合理。c.电源部分不好。d.现场各种机械的启动。
内置加速度计的推出,比较容易解决干扰问题。它将传感器与电路密封在一个金属壳内,使电路中不可能流过地电流。最大限度地消除了干扰源——连接导线。另外,还可以采取下列一些措施来消除干扰:a.在传感器底部用绝缘螺钉安装或在生产时就采用绝缘层,使仪器在后级一点下地。b.双端浮地型,将供电与地线接在一个双头插座,使外壳与内部全部绝缘。c.后级仪器设计可采用隔离技术。d.采用合适的滤波器。
    2.4 工作温度
内置电路加速度计的温度适应性不如传统加速度计高,这是由此种内置电路的性能决定的。若需高温,要注意选择适当的产品,或请生产商专业生产。
    2.5 供电与配接
    内置电路加速度计已有专用电源配合,在应用中非常方便。一般形式有一倍、十倍放大供选择,电路中具有隔直功能,供电能力在2~20mA,可供18~30V的供电电压。有的是与专用测试仪器配合使用,这在桩基工程领域的应用中比较常见。
只有掌握这类传感器的特点,充分考虑其优越性能及不足,才能最大程度的发挥其作用。

    本文发表在《振动、测试与诊断》1999年第19卷第2期


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