ICP加速度傳感器調理電路設計本科畢業(yè)設計2

1、第二章ICP加速度傳感器簡介壓電式加速度傳感器的結構與原理壓電式加速度傳感器結構壓電式傳感器是由壓電效應制作，其機構原理圖如圖2.1所示，它是一種機電轉換式與自發(fā)電式的傳感器。它的感應器件是采用壓電材料制成的。當壓電材料受到力作用之后表面會產(chǎn)生一定量的電荷。電荷通過電荷放大器放大、測量電路放大和變換阻抗后就成為與所受外力成正比的電量輸出。它的優(yōu)點是信噪比很高、靈敏度高、頻帶較寬、重量較輕、結構簡單、和工作性能可靠等。缺點則是某些壓電材料需要良好的防水防潮防有害氣體措施，而直流輸出響應比較差，這就需要采用電荷放大器來克服這一條件，在缺少電荷放大器的情況下，也可以采用具有高輸入阻抗的電路來滿足要求

2、。圖2.1壓電式傳感器結構原理圖典型的電荷放大系統(tǒng)除了在上面已經(jīng)提到了壓電式傳感器的特點和優(yōu)點外，它也有自己的缺點，那就是某些壓電材料需要良好的防潮措施，而且輸出的直流響應差，所以一般都需要配套的放大器電路，圖2.2為典型的電荷放大測試系統(tǒng)。圖2.2典型電荷放大測試系統(tǒng)在沖擊與振動測試中應用最為廣泛的就是壓電式加速度傳感器，但由于其壓敏元件具有非常高的阻抗，而且它產(chǎn)生的是微弱的電荷信號，因此需要將傳感器產(chǎn)生的高阻抗的輸出信號通過一個前置放大器轉換成低阻抗的信號。常用的前置放大器可以分為電荷放大器和電壓放大器兩種。雖然電纜分布電容對電荷放大器的干擾不大，靈敏度不會受到太大影響，但是由于當彎曲或者

3、振動電纜時，屏蔽層與絕緣體會因為存在相對移動造成摩擦，產(chǎn)生靜電荷，從而產(chǎn)生電纜噪聲，同樣的道理，電纜芯線與絕緣體也會因此而對測試產(chǎn)生干擾。結構簡單的電壓放大器盡管，穩(wěn)定性和線性度良好，電纜分布電容的存在會干擾電荷放大器，從而影響到靈敏度。這些情況都會給測試工作帶來較大麻煩，由此ICP傳感器應運而生21。ICP傳感器測試系統(tǒng)ICP(IntegratedCircuitsPiezoelectric)傳感器本質就是內(nèi)置了集成電路電荷放大器的壓電傳感器。與前面所講的外部連接前置放大器的壓電傳感器相對比，它彌補了上述的不足。具有代表性的ICP傳感器測試系統(tǒng)通過恒流源供電，并且信號輸出線路直接與供電電纜相連

4、接，輸出的信號為低阻抗形式的信號。整個測試系統(tǒng)包括ICP加速度傳感器，普通的雙芯電纜和一個能夠為傳感器連續(xù)供電的電源模塊。恒流源模塊為ICP傳感器供電，并從中讀取振動信號，典型的ICP測試系統(tǒng)如圖2.3所示：短的低噪聲電纜HH同軸電纜4電荷型傳感器電荷預六器讀出謾瞥圖2.3典型的ICP測試系統(tǒng)2.2ICP傳感器的選型icp加速度傳感器有很多型號，每種型號都有自己適用的某種特定用途。為了使測試數(shù)據(jù)準確度更高，我們需要基于測試系統(tǒng)的適用要求，選擇最合適的ICP傳感器。一般來講，重量，靈敏度和頻率響應是選擇ICP加速度傳感器最主要的參考因素。2.2.1重量傳感器自身有質量，附加在被測物體上，自然會影

5、響其運動狀態(tài)。而如果ICP傳感器的質量比較大，或者是被測物體的質量比較小，是傳感器接近于被測物體的動態(tài)質量，那么被測物體的振動就會由于受到干擾而有所減弱。對于有些被測物體，可能整體質量非常大，但在安裝ICP加速度傳感器的部位，典型的比如一些薄壁結構，傳感器的質量已經(jīng)與結構的局部質量在一個數(shù)量級或者非常接近，這樣傳感器將會使局部運動狀態(tài)受到干擾和影響。因此，在工程實際中，傳感器的質量ma需要遠小于被測裝置傳感器安裝點的運動質量m。因為受到傳感器質量的干擾，被測裝置的振動加速度a會有所減小，其減小的加速度可以使用下式進行粗略計算：a=a1-m/(m+m)(式2.1)2.2.2靈敏度系統(tǒng)的信噪比、分

6、辨率和抗干擾能力是與傳感器的靈敏度成正比的。就特定功能的傳感器來講，靈敏度與傳感器的重量成正比，與諧振頻率和量程成反比。因此靈敏度的選擇主要考慮這三個方面，即重量、量程和頻率響應。此外，在滿足這三方面的要求下，我們還要考慮傳感器的靈敏度，當然越高越好，這樣有利于提高系統(tǒng)的信噪比。2.2.3頻率響應特性高頻響應特性：ICP傳感器使用手冊給出的上限截止頻率為+10%頻響，粗略計算為安裝諧振頻率的1/3。在要求上限截止頻率誤差為+5%的情況下，大概為安裝諧振頻率的1/5。如果設置適當?shù)男Ｕ禂?shù)，則在更高的頻率范圍內(nèi)依然能夠獲取非?？煽康臋z測數(shù)據(jù)。低頻響應特性：ICP傳感器使用手冊給出的下限截止頻率為

7、-10%頻響?；鶓儭?nèi)置IC放大電路芯片的下限截止頻率和熱釋電效應等環(huán)境特性決定ICP傳感器的低頻響應特性。應變片式ICP傳感器能夠響應靜態(tài)信號。2.3ICP傳感器輸出信號的分析ICP傳感器是由恒流源芯片供電，LM334芯片我們選中12V直流電對其供電，如圖2.4所示:+24-圖2.4傳感器接線圖2.4中，JP1和JP2處就可以接傳感器和引出傳感器的信號（ICP傳感器有兩根引線，它們即是給傳感器供電的線，同時也是傳感器信號的引出線），若還沒接上傳感器根據(jù)前面對于恒流源電路的分析，那么在JP1和JP2處可以用電流表檢測到4mA的電流，如果沒有檢測到，或者是不為4mA,那么這個恒流源的電路就沒

8、有搭建好。對我們搭建好的電路進行檢測，電流表的示數(shù)為4mA，證明我們所搭建的電路是正確的。查閱資料得知，這個時候JP1和JP2之間的電壓應該為11V12V之間，對我們的電路測一下，為11.5V，這是一個很重要的電壓，對于我們后續(xù)傳感器信號的識別是非常關鍵的。再接上我們的ICP傳感器，將其接在JP1處，JP2作為我們信號的輸出引線段,接在示波器上觀察，開啟我們的振動試驗平臺，調節(jié)我們的示波器選著交流耦合方式（也就是濾掉直流分量，只檢測交流分量），觀察示波器同樣得到了一個正弦信號，信號的頻率和我們振動實驗平臺的激振頻率一樣。說明我們所設計的恒流源能夠使我們的ICP傳感器正常工作。再調節(jié)示波器選擇直流耦合（既測直流信號又測交流信號）觀察示波器發(fā)現(xiàn)，和有一個直流分量存在。查閱資