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振动台用压电式加速度传感器及其应用学习资料-技术知识

1、加速度计(传感器)的分类


可分两类:交流和直流响应加速度传感器


交流响应的加速度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。仅适合测量动态事件。


直流响应的加速度传感器,具有直流耦合输出,能够响应低至0Hz的加速度信号。因此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的加速度传感器。


振动试验一般只用到交流加速度传感器,因此此处着重学习。


1)交流响应加速度传感器


最常用的交流响应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。市场上有两类压电加速度传感器——电荷输出型,电压输出型。


A)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。低噪声电缆是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。


B)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/ICP3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。


压电加速度传感器可以制成很小的封装,因此适合做轻结构的动态测试。


2、压电式加速度传感器原理与构造


1)原理


压电式加速度传感器又称压电加速度计,属于惯性式传感器,利用某些物质如石英晶体的压电效应,在加速度计受振时,质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。


由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷,而且传感器本身有很大内阻,故输出能量甚微,这给后接电路带来一定困难。为此,通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后,方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。


2)压电式加速度传感器构成元件


压电式加速度计


常用的压电式加速度计的结构形式如图所示。S是弹簧,M是质块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。图中a是中央安装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上,支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时,如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外,测试对象和环境温度变化将影响压电元件,并使预紧力发生变化,易引起温度漂移。图中c为三角剪切形,压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时,压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用,有较高的共振频率和良好的线性。图中b为环形剪切型,结构简单,能做成极小型、高共振频率的加速度计,环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软,因此最高工作温度受到限制。


3)固定方式


共振频率与加速度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接,因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见下图。


加速度计的固定方法

a)使用钢螺栓安装,使用频率响应可近似原标定的频率响应,且称刚性安装。螺栓安装是在允许打孔的被测物上沿振源轴线方向打孔攻丝。螺栓不得全部拧入基座螺孔,以免引起基座变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。


b)需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计(图中b),但垫圈应尽量簿。云母片安装有两个作用,隔热、绝缘。对高温状态试件,可用厚度<0.1毫米的云母片垫置,其加速度计频率响应会略有降低。对试件与加速度计间的绝缘,云母与四氟是最佳材料。


c)蜜蜡:用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上(图中c),也可用于低温(40℃以下)的场合。


d)手持探针测振方法(图中d)在多点测试时使用特别方便,但测量误差较大,重复性差,使用上限频率一般不高于1000Hz。


e)永磁铁

永磁铁的优点是不破坏被测物体,移动方便。但是应考虑用永磁铁测试会使加速度计的使用频率响应有所下降,可能低于三分之一。使用时应先在被测物上安装磁座,再拧上传感器,或者将二者轻轻吸附于被测物上。冲击状态会使传感器产生电荷积累,影响测试精度。因此多在低频测量中使用,此法也可使加速度计与试件绝缘。


f)用硬性粘接螺栓


g)使用粘接剂:在被测物体不允许钻孔时,可使用各种粘接剂,如“502”、环氧树脂胶、双面粘胶带、橡皮泥。应注意,前二种方法的使用频率接近刚性安装方法,后两种一般用于低频现场,且会使被测频率大大降低。粘接方法不适合冲击测量。


3、压电式加速度传感器的灵敏度


压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器,可把它看成电压源或电荷源,故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压(mV)与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷(pc,皮库)与所承受加速度之比。加速度单位为m/s^2,但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位,1g=9.80665m/s^2。这是一种已为大家所接受的表示方式,几乎所有测振测试设备都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言,灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说,加速度计尺寸越大,其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。


压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向(垂直于加速度计轴线)振动的敏感程度,横向灵敏度常以主灵敏度(即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度)的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向,一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。因此,压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。


 
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