壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的運(yùn)用

張海倫

【摘要】壓電式加速度傳感器具有重量輕、體積小、應(yīng)用范圍廣泛等方面的特點(diǎn)，能夠在高溫的情況下進(jìn)行測(cè)量，因而被人們廣泛地應(yīng)用到振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中。文章在闡述壓電式加速度傳感器原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際具體分析壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】壓電式加速度傳感器;振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng);運(yùn)用

各個(gè)工程在發(fā)展的過(guò)程中普遍存在不同程度的振動(dòng)，嚴(yán)重的振動(dòng)會(huì)影響工程發(fā)展。為此，在工程發(fā)展中需要對(duì)各類(lèi)形式的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。在一般情況下，振動(dòng)測(cè)試需要從振動(dòng)舒適度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)強(qiáng)度等幾個(gè)方面人手。在壓電式加速傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展下，這類(lèi)技術(shù)形式開(kāi)始被人們應(yīng)用到振動(dòng)測(cè)試中，有效提升了振動(dòng)測(cè)試的精準(zhǔn)度。

一、壓電式加速度傳感器原理

壓電式加速度傳感器是一種機(jī)電換能器，設(shè)計(jì)所應(yīng)用的壓電材料包含天然石英、人工極化陶瓷等。壓電式加速度傳感器在受到一定機(jī)械荷載的時(shí)候會(huì)在壓電材料的極化面出現(xiàn)電荷。在壓電晶片受力的時(shí)候，晶體兩邊會(huì)出現(xiàn)一些正負(fù)電荷。這個(gè)時(shí)候壓電晶體片在使用的過(guò)程中和一個(gè)平行板電容器類(lèi)似。

二、壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)用

（一）設(shè)計(jì)方案

工程以往的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包含壓電加速度計(jì)、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀器，具體如圖1所示。被測(cè)試的振動(dòng)加速度信號(hào)會(huì)在傳感器的作用下傳播，電荷放大器會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，之后通過(guò)數(shù)據(jù)采集測(cè)試儀來(lái)進(jìn)行取樣。在獲取信號(hào)之后通過(guò)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、分析和處理。

（二）系統(tǒng)組成

1.壓電式加速度計(jì)

在測(cè)試系統(tǒng)中，壓電式加速度計(jì)的作用是將振動(dòng)量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。在具體操作的時(shí)候，加速度計(jì)要具備以下幾方面的要求：第一，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠?qū)Ω鞣N情況的定位進(jìn)行快速響應(yīng)。第二，具有較寬的頻率響應(yīng)范圍。第三，在頻率響應(yīng)范圍內(nèi)具備良好的線性度。第四，對(duì)環(huán)境干擾具有較強(qiáng)的靈敏度。

2.電荷放大器

在具體操作中，壓電加速度產(chǎn)生的電荷量較小，輸出的阻抗比較高，儀器輸入的阻抗對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。電荷放大器的輸出電壓由傳感器電荷靈敏度和反饋電容大小來(lái)確定，傳感器的內(nèi)部電容和連接電纜的分布電容和放大器的輸入電容對(duì)輸出電壓產(chǎn)生的影響較小。

3.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測(cè)試儀

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測(cè)試儀器是整個(gè)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，在本質(zhì)上是帶通信接口、程序控制的智能化儀表，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加速度信號(hào)的直接測(cè)量，同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的控制模塊來(lái)對(duì)外控制進(jìn)行輸出，在各種類(lèi)型的通信接口和加速度傳感器、前置處理器、計(jì)算機(jī)上處理各類(lèi)數(shù)據(jù)信息。

（三）振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)量

建筑工程基礎(chǔ)壓實(shí)操作會(huì)使用到振動(dòng)壓路機(jī)，在具體施工操作的時(shí)候振動(dòng)輪深受外界多種因素的影響，特別是壓土壤性能深刻影響振動(dòng)壓路機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。在具體施工操作的時(shí)候?yàn)榱四軌蛱嵘龎簩?shí)效率，振動(dòng)壓路機(jī)的各類(lèi)參數(shù)也會(huì)跟隨被壓實(shí)土壤的性能變化來(lái)做出相應(yīng)的調(diào)整。按照振動(dòng)論的系統(tǒng)管理理論，由分離加速度計(jì)、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備共同組成振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)信息采取多通道并行的方式，A/D的分辨率為12bit，最高采樣頻率為1MHz，頻率范圍在0.5Hz～6KHz范圍內(nèi)。在具體測(cè)試操作范圍內(nèi)壓實(shí)材料是礫類(lèi)土，壓路機(jī)的行走速度控制為1.7km/h。在具體管理的過(guò)程中還需要對(duì)收集到的加速度信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，得到的功率譜值和理論的數(shù)值表現(xiàn)一致。振動(dòng)輪系統(tǒng)的響應(yīng)參數(shù)會(huì)隨著壓實(shí)作業(yè)過(guò)程中土壤性能變化發(fā)生相應(yīng)的變化。在對(duì)土壤壓實(shí)度進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)之后為整個(gè)土壤密實(shí)度的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了重要支持。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在傳感器應(yīng)用在中低速磁懸浮列車(chē)中被檢測(cè)的物體是懸浮軌道的下表面，材料類(lèi)型是A3鋼，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定之前，頻率和靈敏度會(huì)隨著位移的增加來(lái)不斷減少，整個(gè)曲線呈現(xiàn)出非線性的發(fā)展特點(diǎn)。在擬合操作的過(guò)程中應(yīng)用Matlab進(jìn)行檢查，擬合確定的曲線和校訂曲線的最大偏差為1KHz，對(duì)應(yīng)的線性度為0.6%FS，靈敏度的最差為3KHz/mm，分頻率為0.66%FS左右。從標(biāo)定的數(shù)據(jù)信息可以發(fā)現(xiàn)傳感器的使用顯示出良好的線性度。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在具體使用操作的時(shí)候?yàn)榱四芙鉀Q中低速磁懸浮列車(chē)的調(diào)幅式傳感器存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種調(diào)頻電渦流傳感器。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)用到了單片F(xiàn)PGA芯片，完成了M/T法高精準(zhǔn)度的測(cè)量、溫度補(bǔ)償、RS-485通信接口轉(zhuǎn)換等功能，從而提升了整個(gè)系統(tǒng)的集成度，具有廣泛的應(yīng)用前景和空間。