壓電式加速度傳感器在振動測量系統(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)行測量，因而被人們廣泛地應(yīng)用到振動測量系統(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測量系統(tǒng)中的運(yùn)用。

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

各個工程在發(fā)展的過程中普遍存在不同程度的振動，嚴(yán)重的振動會影響工程發(fā)展。為此，在工程發(fā)展中需要對各類形式的振動進(jìn)行測試。在一般情況下，振動測試需要從振動舒適度、振動頻率、振動強(qiáng)度等幾個方面人手。在壓電式加速傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展下，這類技術(shù)形式開始被人們應(yīng)用到振動測試中，有效提升了振動測試的精準(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)械荷載的時候會在壓電材料的極化面出現(xiàn)電荷。在壓電晶片受力的時候，晶體兩邊會出現(xiàn)一些正負(fù)電荷。這個時候壓電晶體片在使用的過程中和一個平行板電容器類似。

二、壓電式加速度傳感器在振動測量系統(tǒng)的運(yùn)用

（一）設(shè)計方案

工程以往的振動測試系統(tǒng)包含壓電加速度計、電荷放大器、動態(tài)信號分析儀器，具體如圖1所示。被測試的振動加速度信號會在傳感器的作用下傳播，電荷放大器會將信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，之后通過數(shù)據(jù)采集測試儀來進(jìn)行取樣。在獲取信號之后通過計算機(jī)處理系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)時的顯示、分析和處理。

（二）系統(tǒng)組成

1.壓電式加速度計

在測試系統(tǒng)中，壓電式加速度計的作用是將振動量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。在具體操作的時候，加速度計要具備以下幾方面的要求：第一，具有較寬的動態(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，儀器輸入的阻抗對整個測量系統(tǒng)會產(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輸出電壓產(chǎn)生的影響較小。

3.動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀

動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀器是整個振動測試系統(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)對加速度信號的直接測量，同時通過相應(yīng)的控制模塊來對外控制進(jìn)行輸出，在各種類型的通信接口和加速度傳感器、前置處理器、計算機(jī)上處理各類數(shù)據(jù)信息。

（三）振動壓路機(jī)振動測量

建筑工程基礎(chǔ)壓實(shí)操作會使用到振動壓路機(jī)，在具體施工操作的時候振動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壓路機(jī)的動態(tài)性能。在具體施工操作的時候?yàn)榱四軌蛱嵘龎簩?shí)效率，振動壓路機(jī)的各類參數(shù)也會跟隨被壓實(shí)土壤的性能變化來做出相應(yīng)的調(diào)整。按照振動論的系統(tǒng)管理理論，由分離加速度計、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備共同組成振動壓路機(jī)振動測量系統(tǒng)。在測量過程中數(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)。在具體測試操作范圍內(nèi)壓實(shí)材料是礫類土，壓路機(jī)的行走速度控制為1.7km/h。在具體管理的過程中還需要對收集到的加速度信號進(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。振動輪系統(tǒng)的響應(yīng)參數(shù)會隨著壓實(shí)作業(yè)過程中土壤性能變化發(fā)生相應(yīng)的變化。在對土壤壓實(shí)度進(jìn)行自動化檢測之后為整個土壤密實(shí)度的在線監(jiān)測系統(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中被檢測的物體是懸浮軌道的下表面，材料類型是A3鋼，對傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定之前，頻率和靈敏度會隨著位移的增加來不斷減少，整個曲線呈現(xiàn)出非線性的發(fā)展特點(diǎn)。在擬合操作的過程中應(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

綜上所述，在具體使用操作的時候?yàn)榱四芙鉀Q中低速磁懸浮列車的調(diào)幅式傳感器存在的問題，設(shè)計出一種調(diào)頻電渦流傳感器。在整個系統(tǒng)設(shè)計的過程中應(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，從而提升了整個系統(tǒng)的集成度，具有廣泛的應(yīng)用前景和空間。