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1 引言 自1880年兩位法國科學家J．Curie和P．Curie在研究石英晶體時發(fā)現(xiàn)材料的壓電現(xiàn)象以后，在材料學界便引發(fā)了一場壓電材料研究熱。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，壓電材料的種類已經(jīng)由最初的壓電晶體發(fā)展到壓電陶瓷、進而發(fā)展到壓電聚合物及其復合材料。隨著物理學、材料科學與各個學科的交叉發(fā)展，壓電材料被用以研制成了多種用途的傳感器。目前，常用于測量加速度的傳感器主要有壓電式傳感器和壓阻式傳感器，相對而言，壓電式傳感器在溫漂方面性能更好，另外壓電式傳感器具有獨特的優(yōu)點：工作頻率范圍寬(可從幾赫茲到幾百兆赫)、動態(tài)范圍大、頻響時間快、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好(－20℃～+150℃)。 本測量系統(tǒng)正是基于上述壓電式傳感器的優(yōu)點和用戶實際的需求，提出了新的設計方案，實現(xiàn)了頻帶寬、靈敏度高、工作可靠和重量輕等優(yōu)點。 2 工作原理 壓電式傳感器是利用某些電介質受力后產(chǎn)生的壓電效應制成的傳感器，其中壓電效應是指某些電介質在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變，包括彎曲和伸縮形變時，由于內部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。如圖1所示。 壓電晶體是人工極化陶瓷材料，這種材料按不同的晶格方向切割做成壓電晶體片時，具有不同的壓電效應，只對單軸向受力敏感。敏感質量是附加質量塊，它和壓電晶體構成傳感器的敏感芯體，當質量塊受到加速度作用后便轉換成一個與加速度成正比的力，并加載到壓電晶體上。 系統(tǒng)工作原理如圖2所示。測量系統(tǒng)工作時，壓電式傳感器安裝在待測物體上，傳感器外接信號變換器。當待測物體受到?jīng)_擊產(chǎn)生加速度時，傳感器產(chǎn)生壓電效應，將加速度轉換為電荷量，通過高精度電荷放大器將電荷量變換為電壓量，再經(jīng)信號調理電路處理后得到與被測加速度成比例的電壓輸出。 3 變換器調理電路設計 調理電路器件主要有高精度運算放大器TL062ID、低通濾波器MAX7410和電源模塊KDY－24D1212。 3．1 放大電路設計 高精度運算放大器TL062ID在調理電路中起信號轉換放大、控制低頻和電壓偏置作用，如圖3所示。 在電路中，Vi為傳感器信號輸入，運算放大器U1A部分將傳感器輸入的電荷信號轉換為電壓信號；反饋電容C2依據(jù)計算公式Q＝CU可以改變，用于信號放大和調節(jié)電壓大小；電容C3起“隔直通交”作用，隔斷運算放大器U1A部分自身產(chǎn)生的直流信號，導通傳感器并轉換后的交流信號，同時控制輸出信號的下限頻率。 該電路的電壓輸出范圍設計為0～5V，運算放大器U1B部分用于電壓偏置，并設零位基準電壓為2．5V，可以將傳感器測得的正負加速度方向的電壓輸出保持在0～5V內；穩(wěn)壓管D1限高電壓為5．6V，對低通濾波器MAX7410起到保護作用。 3．2 濾波電路設計 由于帶寬范圍的要求，需要對信號進行濾波處理，濾除頻響范圍之外的信號和噪聲，設計中采用低通濾波器MAX7410，該濾波器帶外衰減快，保證所需帶內信號的輸出，如圖4所示。 在電路中，信號從Vo輸入，經(jīng)過濾波處理，從Vo’輸出；電阻R5電容分壓限流，保護濾波器MAX7410；C4用于控制帶內高頻上限并濾除高頻帶外信號。 3．3 電源電路設計 測試系統(tǒng)由外部電源提供+28V工作電壓，內部采用電源模塊KDY-24D1212將+28V電壓轉換成士12V電壓兩路輸出，一路為運算放大器提供工作電壓，一路輸出到其它電源芯片上。 4 試驗 試驗分別進行靜態(tài)測量和動態(tài)測量，首先，系統(tǒng)連接信號模擬器，放入高低溫試驗箱中，并設置環(huán)境溫度為－40℃～+50℃，測量其靜態(tài)工作輸出；其次，將傳感器和信號變換器安裝振動臺和馬歇特沖擊錘上，進行實際動態(tài)測量。通過上述試驗，得到頻響曲線和實測值，如圖5和表1所示。 圖5中擬合曲線為衰減度和頻率的對應關系，可以看出，帶內不平度小于3dB，帶外衰減度大于－20dB／oct，符合加速度傳感器輸出特性。 表1為標準值與實測值比較，從中可以看出，各項指標均符合技術要求，線性度誤差為1．35％。 5 結束語 本文介紹了基于壓電式的一種沖擊加速度測量系統(tǒng)，結構易于安裝，電路性能優(yōu)良可靠，并成功地應用到實際測量中。依據(jù)客戶反饋的信息，傳感器完全達到了技術要求的標準，可應用于航空、航天、國防等軍品領域以及鐵路、橋梁、建筑等國民經(jīng)濟領域。 |
