壓電加速度測試系統(tǒng)設(shè)計概要

課程設(shè)計說明書題目：壓電加速度測試系統(tǒng)設(shè)計課程：工程測試技術(shù)院、系：機(jī)電工程學(xué)院學(xué)科專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生：李崧偉，劉嘉豪學(xué)號14020111111指導(dǎo)教師：齊忠霞2016年6月15號工程測試技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書（2015—2016學(xué)年第2學(xué)期）課題名稱壓電加速度測試系統(tǒng)設(shè)計適用專業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班級130209課程設(shè)計時間2016年6月20日起2016年6月24日止課題內(nèi)容簡介及要求完成****測試系統(tǒng)總體設(shè)計及測試信號處理部分設(shè)計。主要內(nèi)容是：總體方案的確定。仔細(xì)分析給出的系統(tǒng)功能與參數(shù)，擬定總體方案。傳感器的選擇。根據(jù)被測量的要求合理選擇傳感器，根據(jù)需要進(jìn)行傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝布局設(shè)計。信號調(diào)理電路設(shè)計。根據(jù)傳感器輸出信號的特點對信號進(jìn)行處理，將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，完成電路原理圖的設(shè)計，并按要求撰寫說明書。設(shè)計擴(kuò)展要求：（1）顯示電路的設(shè)計；（2）輸出控制電路的設(shè)計。主要設(shè)計參數(shù)自行選擇被測量，如溫度、流量、壓力、液位、位移、速度、加速度、振動、重量等，給出所選擇被測量的具體應(yīng)用環(huán)境，給出測量范圍。3進(jìn)度安排

①設(shè)計準(zhǔn)備0.5天(包括題目講解說明1小時)②總體方案設(shè)計1天③傳感器的選擇1天(包括傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計或安裝布局設(shè)計)④測試電路的設(shè)計1天⑤撰寫設(shè)計說明書0.5天⑥答辯1天4.工作量要求說明書字?jǐn)?shù)：0.8-1萬字圖紙工作量：傳感器結(jié)構(gòu)示意圖或安裝布局示意圖1張電路圖1張指導(dǎo)教師齊忠霞2016年6月15日目錄1.簡介2.測試方案設(shè)計3.測試系統(tǒng)組成3.1壓電加速度傳感器3.1.1組成3.1.2工作原理3.1.3靈敏度3.1.4加速度傳感器的選用3.2電荷放大器3.2.1測試電路圖3.2.2數(shù)據(jù)計算處理3.3動態(tài)信號分析儀4.實驗測試流程5.說明總結(jié)6.參考文獻(xiàn)壓電加速度測試系統(tǒng)設(shè)計1.簡介現(xiàn)代工業(yè)和自動化生產(chǎn)過程中，非電物理量的測量和控制技術(shù)會涉及大量的動態(tài)測試問題。所謂動態(tài)測試是指量的瞬時值以及它隨時間而變化的值的確定，即被測量為變量的連續(xù)測量過程。它以動態(tài)信號為特征，研究了測試系統(tǒng)的動態(tài)特性問題，而動態(tài)測試中振動和沖擊的精確測量尤其重要。振動與沖擊測量的核心是傳感器，常用壓電加速度傳感器來獲取沖擊和振動信號。壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，質(zhì)量輕，工作頻帶寬，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能穩(wěn)定等特點，因此在各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動的測量以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。所以在此設(shè)計了一種壓電式加速度測試系統(tǒng)，能夠滿足測試0—3G的低頻率加速度測試。2.測試方案設(shè)計系統(tǒng)組成：壓電加速度傳感器、電荷放大器、動態(tài)信號分析儀被測對象的振動加速度信號經(jīng)傳感器拾振，由傳感器電纜將加速度信號送入該系統(tǒng)電荷放大器，電荷放大器將信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，通過數(shù)據(jù)采集測試儀采樣，便實現(xiàn)對信號的采集。最后在PC端對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。如下圖所示3.測試系統(tǒng)組成3.1壓電加速度傳感器3.1.1組成由質(zhì)量塊、壓電元件、支座以及引線組成如下圖所示3.1.2工作原理壓電加速度傳感器采用具有壓電效應(yīng)的壓電材料作基本元件，是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。實際測量時，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小，從而得出物體的加速度。壓電材料可分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，因壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電晶體的大，且采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，故本系統(tǒng)壓電元件采用壓電陶瓷，極化方向在厚度方向(z方向)。當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。設(shè)質(zhì)量塊作用于壓電元件的力為F上，支座作用于壓電元件的力為F下，則有F=Ma(1)F===(M+m)a(2)式中M為質(zhì)量塊質(zhì)量；m為晶片質(zhì)量；a為物體振動加速度。由式(1)、(2)可得晶片中厚度方向(z方向)任一截面上的力為F=Ma+ma(1一z／d)(3)式中d為晶片厚度。則平均力為因晶片為壓電陶瓷，極化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿著方向，故此時外加應(yīng)力只有T3，不等于零，其平均值為式中A為晶片電極面面積。選用D型壓電常數(shù)矩陣，得電荷C式中為壓電常數(shù)。由于質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬鎢或其他金屬制成，而晶片很薄，即有M》m，故式(6)通常寫為由式(7)可知，壓電元件的Q和、M成正比，根據(jù)測量電荷量就可得到加速度。3.1.3靈敏度靈敏度是指其輸出電量與所承受的振動（或沖擊）加速度的比值。它是表征加速度傳感器性能的最基本的參數(shù)。公式推導(dǎo)：設(shè)晶片為壓電陶瓷,極化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿著z方向可推導(dǎo)出壓電陶瓷片產(chǎn)生的電荷為：Q=d33MaM為質(zhì)量塊質(zhì)量,m為晶片質(zhì)量,a為物體振動加速度，l為晶片厚度,A為晶片電極面面積a=g(重力加速度)時得到的電荷Q值,常稱為靈敏度,單位記為C/g,即靈敏度為一個g產(chǎn)生的電荷。上式為靈敏度的電荷表示法。靈敏度亦可用開路輸出電壓表示,因為式中,Cd為晶片的低頻電容(自由電容)所以取a=g,即為靈敏度的電壓表示法,即一個g時產(chǎn)生的開路電壓,單位記為V/g。3.1.4加速器傳感器的選用1.工程振動量值的物理參數(shù)常用位移、速度和加速度來表示。由于在通常的頻率范圍內(nèi)振動位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之間都可互相轉(zhuǎn)換，所以在實際使用中振動量的大小一般用加速度的值來度量。常用單位為：米/秒2

(m/s2)，或重力加速度(g)。

描述振動信號的另一重要參數(shù)是信號的頻率。絕大多數(shù)的工程振動信號均可分解成一系列特定頻率和幅值的正弦信號，因此，對某一振動信號的測量，實際上是對組成該振動信號的正弦頻率分量的測量。對傳感器主要性能指標(biāo)的考核也是根據(jù)傳感器在其規(guī)定的頻率范圍內(nèi)測量幅值精度的高低來評定。

最常用的振動測量傳感器按各自的工作原理可分為壓電式、壓阻式、電容式、電感式以及光電式。壓電式加速度傳感器因為具有測量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對被測件的影響小以及安裝使用方便，所以成為最常用的振動測量傳感器。

2.傳感器的種類選擇

·壓電式-

原理和特點

壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

·壓阻式

應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個特定設(shè)計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。

·電容式

電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

3.壓電式傳感器的敏感芯體材料和結(jié)構(gòu)形式

·壓電材料

壓電材料一般可以分為兩大類，即壓電晶體和壓電陶瓷。在壓電型加速度計的最常用的壓電晶體為石英，其特點為工作溫度范圍寬，性能穩(wěn)定，因此在實際應(yīng)用中經(jīng)常被用作標(biāo)準(zhǔn)傳感器的壓電材料。由于石英的壓電系數(shù)比其他壓電材料低得多，因此對通用型壓電加速度計而言更為常用的壓電材料為壓電陶瓷。壓電陶瓷中鋯鈦酸鉛（PZT）是目前壓電加速度計中最經(jīng)常使用的壓電材料。其特點為具有較高的壓電系數(shù)和居里點，各項機(jī)電參數(shù)隨溫度時間等外界條件的變化相對較小。必須指出的是，就同一品種的壓電陶瓷而言，雖然都有相同的基本特性，但由于制作工藝不同可以使兩個相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標(biāo)相差甚大。這種現(xiàn)象可以通過典型的國產(chǎn)傳感器和進(jìn)口傳感器的比較得以反映，國內(nèi)振動測試業(yè)幾十年的經(jīng)驗對此深有體會。

4.傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)形式

壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質(zhì)量塊組成，當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生一個與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應(yīng)力也可以是剪應(yīng)力，壓電材料產(chǎn)生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據(jù)壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)一般有以下三種形式：

１）壓縮形式–

壓電材料受到壓縮或拉伸力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。其特點是制造簡單方便，能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點是不能有效地排除各種干擾對測量信號的影響。２）剪切形式–

通過對壓電材料施加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產(chǎn)生的電荷信號受外界干擾的影響甚小，因此剪切結(jié)構(gòu)形式成為最為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實際制造過程中，確保剪切敏感芯體的加速度計持有較高和穩(wěn)定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中最為困難的一個環(huán)節(jié)。北智BW-Sensor

采用進(jìn)口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。

３）彎曲變形梁形式-

壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號，也較容易實現(xiàn)控制阻尼；但因為其測量頻率范圍低，更由于此結(jié)構(gòu)不能排除因溫度變化而極容易產(chǎn)生的信號漂移，所以此結(jié)構(gòu)在壓電型加速度計的設(shè)計中很少被采用。

5.壓電式加速度傳感器的信號輸出形式

·電荷輸出型

傳統(tǒng)的壓電加速度計通過內(nèi)部敏感芯體輸出一個與加速度成正比的電荷信號。實際使用中傳感器輸出的高阻抗電荷信號必須通過二次儀表將其轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓信號才能讀取。由于高阻抗電荷信號非常容易受到干擾，所以傳感器到二次儀表之間的信號傳輸必須使用低噪聲屏蔽電纜。由于電子器件的使用溫度范圍有限，所以高溫環(huán)境下的測量一般還是使用電荷輸出型。北智BW-Sensor采用進(jìn)口陶瓷的加速度計可在溫度-40oC~250oC

范圍內(nèi)長期使用。

·低阻抗電壓輸出型（IEPE）

IEPE

型壓電加速度計即通常所稱的ICP

型壓電加速度計。壓電傳感器換能器輸出的電荷通過裝在傳感器內(nèi)部的前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓輸出。IEPE

型傳感器通常為二線輸出形式，即采用恒電流電壓源供電；直流供電和信號使用同一根線。通常直流電部分在恒電流電源的輸出端通過高通濾波器濾去。IEPE

型傳感器的最大優(yōu)點是測量信號質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)和遠(yuǎn)距離測量，特別是新型的數(shù)采系統(tǒng)很多已配備恒流電壓源，因此，IEPE

傳感器能與數(shù)采系統(tǒng)直接相連而不需要任何其它二次儀表。在振動測試中IEPE

傳感器已逐漸取代傳統(tǒng)的電荷輸出型壓電加速度計。

6.傳感器的靈敏度，量程和頻率范圍的選擇

壓電型式的加速度計是振動測試的最主要傳感器。雖然壓電型加速度計的測量范圍寬，但因市場上此類加速度計品種繁多，所以給正確的選用帶來一定的難度。作為選用振動傳感器的一般原則：正確的選用應(yīng)該基于對測量信號以下三方面的分析和估算。

a.被測振動量的大小

b.被測振動信號的頻率范圍

c.振動測試現(xiàn)場環(huán)境

以下將針對上述三個方面并參照傳感器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對具體的選用作進(jìn)一步地討論

1）傳感器的靈敏度與量程范圍

傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標(biāo)之一。靈敏度的大小直接影響到傳感器對振動信號的測量。不難理解，傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測振動量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號大小相差甚大。大型結(jié)構(gòu)的低頻振動其振動量的加速度值可能會相當(dāng)小，例如當(dāng)振動位移為

1mm,

頻率為1

Hz

的信號其加速度值僅為0.04m/s2(0.004g)；然而對高頻振動當(dāng)位移為0.1mm，頻率為10

kHz的信號其加速度值可達(dá)4

x

10

5m/s2

(40000g)。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測量量程范圍，但對用于測量高低兩端頻率的振動信號，選擇加速度傳感器靈敏度時應(yīng)對信號有充分的估計。最常用的振動測量壓電式加速度計靈敏度，電壓輸出型（IEPE

型）為50~100

mV/g，電荷輸出型為10

~

50

pC/g。

加速度值傳感器的測量量程范圍是指傳感器在一定的非線性誤差范圍內(nèi)所能測量的最大測量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為1%。作為一般原則，靈敏度越高其測量范圍越小，反之靈敏度越小則測量范圍越大。

IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測量范圍是由在線性誤差范圍內(nèi)所允許的最大輸出信號電壓所決定，最大輸出電壓量值一般都為±5V。通過換算就可得到傳感器的最大量程，即等于最大輸出電壓與靈敏度的比值。需要指出的是IEPE壓電傳感器的量程除受非線性誤差大小影響外，還受到供電電壓和傳感器偏置電壓的制約。當(dāng)供電電壓與偏置電壓的差值小于傳感器技術(shù)指標(biāo)給出的量程電壓時，傳感器的最大輸出信號就會發(fā)生畸變。因此IEPE

型加速度傳感器的偏置電壓穩(wěn)定與否不僅影響到低頻測量也可能會使信號失真；這種現(xiàn)象在高低溫測量時需要特別注意，當(dāng)傳感器的內(nèi)置電路在非室溫條件下不穩(wěn)定時，傳感器的偏置電壓很可能不斷緩慢地漂移而造成測量信號忽大忽小。

而電荷輸出型測量范圍則受傳感器機(jī)械剛度的制約，在同樣的條件下傳感敏感芯體受機(jī)械彈性區(qū)間非線性制約的最大信號輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過實驗來確定。一般情況下當(dāng)傳感器靈敏度高，其敏感芯體的質(zhì)量塊也就較大，傳感器的量程就相對較小。同時因質(zhì)量塊較大其諧振頻率就偏低這樣就較容易激發(fā)傳感器敏感芯體的諧振信號，結(jié)果使諧振波疊加在被測信號上造成信號失真輸出。因此在最大測量范圍選擇時，也要考慮被測信號頻率組成以及傳感器本身的自振諧振頻率，避免傳感器的諧振分量產(chǎn)生。同時在量程上應(yīng)有足夠的安全空間以保證信號不產(chǎn)生失真。

加速度傳感器靈敏度的標(biāo)定方法通常采用比較法檢定，被校傳感器在特定頻率（通常為159

Hz

或80

Hz）振動的輸出與標(biāo)準(zhǔn)傳感器讀得加速度值的比即為傳感器靈敏度。而對沖擊傳感器的靈敏度則通過測量被校傳感器對一系列不同沖擊加速度值的輸出響應(yīng)，獲得傳感器在其測量范圍內(nèi)輸入沖擊加速度值和電輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，再通過數(shù)值計算獲得與各點之間差值最小的直線，而這直線的斜率即是傳感器的沖擊靈敏度。

沖擊傳感器的非線性誤差可以有兩種方法表示：全量程偏差或按分段量程的線性誤差。前者是指傳感器的全量程輸出為基準(zhǔn)的誤差百分?jǐn)?shù)，即無論測量值得大小其誤差均為按全量程百分?jǐn)?shù)計算而得的誤差值。按分段量程的線性誤差其計算方法與全量程偏差相同，但基準(zhǔn)不用全量程而是以分段量程來計算誤差值。例如量程為20000g

的傳感器，如全量程偏差為1%

，其線性誤差在全量程內(nèi)為200g；但當(dāng)傳感器按分段量程5000g

，10000g

，20000g

來衡量其線性誤差，其誤差仍為1%

時，則傳感器在不同的3個量程段內(nèi)線性誤差則分別為50g

，100g

，200g。

2）傳感器的測量頻率范圍

傳感器的頻率測量范圍是指傳感器在規(guī)定的頻率響應(yīng)幅值誤差內(nèi)（±5%,

±10%,

±3dB）傳感器所能測量的頻率范圍。頻率范圍的高，低限分別稱為高，低頻截至頻率。截至頻率與誤差直接相關(guān)，所允許的誤差范圍大則其頻率范圍也就寬。作為一般原則，傳感器的高頻響應(yīng)取決于傳感器的機(jī)械特性，而低頻響應(yīng)則由傳感器和后繼電路的綜合電參數(shù)所決定。高頻截止頻率高的傳感器必然是體積小，重量輕，反之用于低頻測量的高靈敏度傳感器相對來說則一定體積大和重量重。

（1）

傳感器的高頻測量范圍

傳感器的高頻測量指標(biāo)通常由高頻截止頻率來確定，而一定截止頻率與對應(yīng)的幅值誤差相聯(lián)系；所以傳感器選用時不能只看截至頻率，必須了解對應(yīng)的幅值誤差值。傳感器的頻率幅值誤差小不僅是測量精度提高，更重要的是體現(xiàn)了傳感器制造過程中控制安裝精度偏差地能力。另外由于測量對象的振動信號頻率帶較寬，或傳感器的固有諧振頻率不夠高，因而被激發(fā)的諧振信號波可能會疊加在測量頻帶內(nèi)的信號上，造成較大的測量誤差。所以在選擇傳感器的高頻測量范圍時除高頻截至頻率外，還應(yīng)考慮諧振頻率對測量信號的影響；當(dāng)然這種測量頻段外的信號也可通過在測量系統(tǒng)中濾波器給予消除。

一般情況下傳感器的高頻截止頻率與輸出信號的形式（即電荷型或低阻電壓型）無關(guān)；而與傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，制造以及安裝形式和安裝質(zhì)量都密切相關(guān)。以下表格是對不同型式加速度傳感器的高頻響應(yīng)作一個定性的歸類，供用戶在選用時對比和參考。

當(dāng)傳感器和恒流電壓源交流耦合的低頻截至頻率相當(dāng)時，測量系統(tǒng)的低頻特性是由傳感器和恒流電壓源的各自低頻響應(yīng)組合而成，此時測量系統(tǒng)的低頻截止頻率要高于傳感器或恒流電壓源各自的低頻截止頻率。理想的測量系統(tǒng)傳感器應(yīng)配用帶直流平衡的恒流電壓源，這樣系統(tǒng)的低頻響應(yīng)將完全取決于傳感器的低頻截至頻率。

當(dāng)傳感器用于甚低頻測量時，能否準(zhǔn)確測量低頻信號并不完全決定與系統(tǒng)的低頻響應(yīng)特性，系統(tǒng)的低頻電噪聲大小也將直接影響低頻信號的測量。另外傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)大小也將直接影響傳感器的低頻測量。

7.傳感器的整體封裝設(shè)計與電纜

（1）傳感器的封裝形式

壓電式傳感器的工作原理是利用敏感芯體的壓電效應(yīng)，而壓電材料產(chǎn)生的是高阻抗的電荷信號。傳感器敏感芯體的絕緣阻抗與傳感器的低頻測量截止頻率存在著相互對應(yīng)的關(guān)系。為了保證傳感器的低頻響應(yīng)，傳感器殼體封裝設(shè)計應(yīng)使敏感芯體與外界隔絕，以防止壓電陶瓷受到任何污染而導(dǎo)致其絕緣阻抗下降。敏感芯體絕緣阻抗下降對傳感器性能造成的直接影響表現(xiàn)為低頻響應(yīng)變差，嚴(yán)重時還將造成傳感器靈敏度改變。為保證傳感器的密封特性，大多傳感器的封裝采用激光焊接。同時在當(dāng)今密封材料品種多樣，性能日益完善的情況下，針對不同的使用環(huán)境，采用合適的密封材料替代激光焊接也能達(dá)到傳感器密封的要求。但必須指出不同的密封材料效果差異很大。北智公司采用國外知名品牌的密封材料并經(jīng)過通過了多年的環(huán)境厲行試驗驗證。

在工業(yè)現(xiàn)場測試現(xiàn)場，為防止電磁場對傳感器信號的影響，對用于工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測傳感器往往要求傳感器采用雙重屏蔽殼封裝形式。雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的傳感器輸出接頭一般采用雙芯工業(yè)接頭或聯(lián)體電纜輸出形式。由于雙層屏蔽殼的結(jié)構(gòu)特點和雙芯輸出電纜，傳感器的高頻特性一般將受到較大的制約，因此如果用戶必須選用雙層屏蔽型傳感器進(jìn)行高頻振動信號測量，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

·傳感器輸出接頭形式

M5

(M6)

接頭是加速度傳感器最為常用的輸出接頭形式。M5接頭特點是尺寸較小，一般配用直徑較細(xì)的電纜

(2mm

或

3mm

)，比較適合振動實驗的測試。另外M5

(M6)

的結(jié)構(gòu)型式對信號屏蔽較好，所以對電荷輸出型加速度傳感器因其輸出為較容易受干擾的高阻抗信號一般均采用M5

(M6)

接頭。測量振動的加速度傳感器接頭一般避免使用Q9

(BNC),

原因是Q9

(BNC),接頭組件沒有螺紋聯(lián)接，構(gòu)件之間的機(jī)械耦合剛度較低；因此如果加速度傳感器輸出采用Q9(BNC),，其將會影響傳感器的高頻響應(yīng)。

用于工業(yè)環(huán)境下的振動測量加速度傳感器按可分為巡回檢測和在線監(jiān)測，前者一般采用單層殼屏蔽型式，因此傳感器的接頭較多使用M6

或TNC接頭。而在線監(jiān)測因經(jīng)常采用雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)型式，與其對應(yīng)的電纜為雙芯屏蔽電纜，所以雙芯工業(yè)接頭如M12,

M16

以及C5015均被廣泛使用。另外連體電纜具有較高的可靠性，因此在工業(yè)環(huán)境下使用的傳感器無論是單層和雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)都廣泛采用連體電纜為輸出接頭的形式。

需要指出的是無論是那一種輸出接頭對水下測量都有其局限性，即使傳感器本身密封性能達(dá)到要求，但電纜聯(lián)接一般都需要做特殊處理后才能用于水下測量。

·（2）電纜的選擇

對輸出為高阻抗信號的電荷型壓電型傳感器而言，為保證測量信號不受因電纜移動而造成噪聲的影響，傳感器的輸出信號電纜一般都采用低噪聲電纜。而輸根據(jù)不同敏感芯體結(jié)構(gòu)和材料特性的組合，壓縮型結(jié)構(gòu)在理論上便存在橫向輸出，需要通過裝配調(diào)節(jié)的方式給予抵消，而在實際制造過程中很難實現(xiàn)真正的抵消，因此壓縮型加速度傳感器的橫向靈敏度的離散度很大。與壓縮型相比剪切型設(shè)計在理論上不存在橫向輸出，傳感器的實際橫向輸出一般是由材料加工和裝配精度所引起的誤差。所以從這兩種敏感芯體的實際對比結(jié)果來看，剪切型壓電加速度傳感器的橫向靈敏度普遍優(yōu)于壓縮型式。而敏感芯體為彎曲梁結(jié)構(gòu)形式的橫向靈敏度一般說介于剪切型和壓縮型之間。根據(jù)敏感芯體的結(jié)構(gòu)特性，在其受橫向振動時與垂直方向振動一樣，也有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)。所以橫向振動也同樣可能在某一頻率點產(chǎn)生諧振，以至產(chǎn)生較大的橫向振動偏差。

·溫度對傳感器輸出的影響

溫度改變而引起傳感器輸出變化是由壓電材料（敏感芯體）特性所造成的。根據(jù)壓電材料的分類，石英晶體受溫度影響最小，而人工合成晶體的使用溫度甚至高于石英；但在商業(yè)化的壓電加速度傳感器中最多使用的壓電材料還是壓電陶瓷。壓電陶瓷敏感芯體的輸出高溫時隨溫度上升而增大，低溫時隨溫度降低而減小；但傳感器輸出與溫度間并不呈線性變化，一般說低溫時的輸出變化比高溫時的要大。另因為各傳感器的溫度響應(yīng)很難保持一致，所以實際使用中傳感器的輸出一般很少用溫度系數(shù)進(jìn)行修正。典型溫度響應(yīng)曲線或溫度系數(shù)一般只作為對傳感器溫度特性的衡量。壓電陶瓷對溫度響應(yīng)除材料本身特性之外，生產(chǎn)工藝也將直接影響壓電材料對溫度的響應(yīng)，而同種材料對溫度響應(yīng)的離散度更是如此。同樣是鋯鈦酸鉛材料，不同的廠商由于采用不同的生產(chǎn)工藝，使得相同材料的壓電陶瓷而其各自的使用溫度范圍，溫度響應(yīng)和溫度響應(yīng)的離散度相差甚大。綜合對壓電材料的基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)加工工藝，目前國內(nèi)壓電陶瓷的溫度特性與國外先進(jìn)水準(zhǔn)相比還有一定差距；為確保用戶對傳感器的特殊要求，北智采用進(jìn)口壓電陶瓷，使傳感器的高溫使用溫度可在

+250oC

下長期使用，而且溫度響應(yīng)及其離散度都好于國產(chǎn)壓電陶瓷。

不同的敏感芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計對溫度的變化的響應(yīng)會產(chǎn)生不同的結(jié)果。由于不同材料有不同的線膨脹系數(shù)，因此溫度變化必然使壓電材料和金屬配件之間產(chǎn)生因線膨脹系數(shù)不同而造成的應(yīng)力變化；這種由溫度產(chǎn)生的應(yīng)力使壓縮式和彎曲梁型的敏感芯體產(chǎn)生輸出信號，有時這種溫度變化引起的輸出會大于振動測量信號（特別在低頻測量中）。需要特別指出溫度變化有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種，傳感器輸出靈敏度隨溫度變化通常是指穩(wěn)態(tài)高低溫度狀態(tài)對信號輸出的影響。瞬態(tài)溫度變化對傳感器輸出的影響主要表現(xiàn)在低頻測量中，請參看應(yīng)用〉低頻測量

·傳感器的基座應(yīng)變靈敏度

傳感器受被測物體在傳感器安裝處應(yīng)變的影響，可能導(dǎo)致傳感器輸出的變化。傳感器的基座應(yīng)變靈敏度一般由傳感器基座剛度，傳感器與被測件的接觸面積以及敏感芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計形式所決定。剪切結(jié)構(gòu)形式的敏感芯體與傳感器基座間的接觸面積很小，因而剪切芯體受基座應(yīng)變的作用也相對較小，且這種應(yīng)變并不直接導(dǎo)致壓電陶瓷的輸出。所以剪切敏感芯體傳感器的基座應(yīng)變靈敏度指標(biāo)通常比壓縮式的要好，在無需改變傳感器的基座剛度以及與被測件的接觸面積情況下（改變這兩點都將影響傳感器的頻率響應(yīng)指標(biāo)），剪切型傳感器一般都能滿足大部分結(jié)構(gòu)測量的要求。

8.聲場和磁場對傳感器的影響

聲波和磁場對傳感器的作用也都可能引起信號輸出，這種輸出的大小與傳感器靈敏度的比值被稱作為壓電傳感器的聲靈敏度和磁靈敏度。

聲靈敏度是表示傳感器在強(qiáng)聲場的作用下，加速度傳感器的輸出值。加速度信號輸出主要是聲波通過對傳感器外殼體的作用，再由外殼體傳輸給內(nèi)部的敏感芯體而導(dǎo)致的信號輸出。最直接減小傳感器聲靈敏度的方法是增加傳感器外殼的厚度，絕大多數(shù)傳感器的這一指標(biāo)都能滿足通常的測量條件。

磁靈敏度是表示傳感器在強(qiáng)交變磁場作用下，加速度傳感器的輸出值。傳感器內(nèi)部敏感芯體受磁力的作用而導(dǎo)致信號輸出是傳感器產(chǎn)生磁靈敏度的基本原因。因此在傳感器設(shè)計中，金屬零部件盡量采用無磁或弱磁的材料是降低傳感器磁靈敏度最直接的措施。另外雙層屏蔽殼結(jié)構(gòu)形式也能較好地減小傳感器的磁靈敏度，同時雙層屏蔽殼形式還能有效地防止磁場對輸出電信號的干擾。3.2電荷放大器由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為式中A為晶片電極面面積；為壓電材料的相對介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)。因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相串