壓電加速度計(jì)放大器飽和問題研究

高清毅，常璐璐

（PCB 壓電傳感器技術(shù)（北京）有限公司，北京 100027）

0 引言

壓電加速度計(jì)可以測量很寬范圍的振動(dòng)和沖擊，廣泛用于測量領(lǐng)域。其中以（傳感器）或者國際標(biāo)準(zhǔn)IEPE（其他廠家）壓電原理的傳感器內(nèi)置集成微電子電路，由于其使用簡單，可以在惡劣環(huán)境中長電纜傳輸信號(hào)無衰減，因此在測試測量和工業(yè)振動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可；該電子電路把壓電敏感元件產(chǎn)生的高阻抗的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于傳輸?shù)牡妥杩闺妷盒盘?hào)，轉(zhuǎn)換過的信號(hào)再通過兩芯屏蔽電纜或者同軸電纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)顯示設(shè)備。

1 存在的問題

使用壓電加速度計(jì)測量振動(dòng)，過量程造成內(nèi)置的放大器電路飽和是一個(gè)可能發(fā)生但是又容易被忽略的問題。在完成一次測試和數(shù)據(jù)評估后，測試工程師可能觀察到采集的數(shù)據(jù)有明顯的問題。有許多因素可能影響壓電加速度計(jì)測量輸出的數(shù)據(jù)，如傳感器量程、測試輸入振幅、測試輸入頻率成分和數(shù)據(jù)采集的采樣頻率等。例如：輸入振幅大于傳感器的可用量程，將造成放大器電路飽和；輸入頻率成分如果處于或接近于傳感器的諧振頻率，也可能造成放大器飽和；諧振頻率處的高Q 因數(shù)將會(huì)導(dǎo)致傳感器進(jìn)入過載恢復(fù)狀態(tài)，此時(shí)可能采集到無意義的數(shù)據(jù)（既使使用您的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行后處理濾波）。放大器飽和情況下采集的典型數(shù)據(jù)如圖1 所示，圖1 中出現(xiàn)了指數(shù)式衰減。

圖1 振動(dòng)超過傳感器量程后的測試波形

2 低通濾波電路的效果

內(nèi)置單級(jí)或兩級(jí)低通濾波的傳感器將降低放大器飽和的概率，提高可用頻率范圍。低通濾波可以衰減（抑制）諧振頻率處或接近諧振頻率處產(chǎn)生的信號(hào)。這將抵消傳感器在機(jī)械諧振處產(chǎn)生的增益（高Q 品質(zhì)）因子（圖2）。

圖2 頻響曲線比較（濾波器截止頻率9 kHz）

3 對比測試

本測試強(qiáng)調(diào)了在任何應(yīng)用中，為了獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，選擇正確的采樣率和傳感器量程的重要性。

測試使用的PCB 加速度計(jì)有兩種類型，型號(hào)分別為352C18（靈敏度10 mV/g，重2 g）和352C65（靈敏度100 mV/g，重2 g），分別安裝到一個(gè)懸臂梁的末端（圖3）。在懸臂梁的末端用力錘進(jìn)行敲擊提供階躍輸入。每個(gè)加速度計(jì)輸出連接到數(shù)字示波器，采樣率為2 kHz。型號(hào)352C18 連接到第二個(gè)示波器，采樣率設(shè)置為2 MHz。

圖3 測試設(shè)置

（1）圖4 是2 s 內(nèi)的輸出，顯示了352C65 信號(hào)峰值/飽和，之后指數(shù)衰減到零基線。這種類型的曲線表明，振動(dòng)輸入超過了加速度計(jì)的測試量程（50g），內(nèi)部放大器飽和。352C65 輸出的錯(cuò)誤的峰值大約為150g 而352C18 輸出顯示真實(shí)峰值為325g。352C65 之所以產(chǎn)生低于實(shí)際峰值水平原因是內(nèi)部放大器飽和，限制了它的最大輸出（在典型的±5.0 V 線性范圍內(nèi)輸出正常）。352C18 加速度計(jì)測量出的325g-pk 在額定的量程500g 內(nèi)工作正常（±5.0 V 線性輸出）。

（2）圖5 是0.1 s 內(nèi)的輸出，較短的時(shí)間段內(nèi)的波形用于說明當(dāng)信號(hào)超過50g 量程后，352C65 的測量幅值水平與352C18的區(qū)別。型號(hào)352C65 產(chǎn)生的信號(hào)可能會(huì)與加速度計(jì)的不正常產(chǎn)生混淆，更糟糕的情況是，如果只看頻域的數(shù)據(jù)，它可能會(huì)被完全忽略。

圖4 加速度計(jì)輸出信號(hào)（2 s）

圖5 加速度計(jì)輸出信號(hào)（0.1 s）

（3）圖6 是采樣率為2 kHz，352C18 和352C65 的輸出波形；以及352C18 采樣率2 MHz 的輸出波形。2 MHz 數(shù)據(jù)顯示了金屬與金屬（力錘與剛性梁）間的碰撞產(chǎn)生的高頻信號(hào)。較低的2 kHz 采樣率充當(dāng)了原始數(shù)據(jù)上的濾波，減弱了測量輸出的高頻成分。2 MHz 數(shù)據(jù)在超過200g 處出有峰值輸出，而在同一段內(nèi)，此處2 kHz 最大輸出剛剛超過100g。

圖6 采樣頻率2 MHz 對比2 kHz

4 結(jié)論與建議

除了要保證儀器設(shè)備正常工作之外，為了獲得準(zhǔn)確、真實(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，還需要關(guān)注數(shù)采器的采樣頻率和傳感器的量程。其中，應(yīng)該注意以下3 個(gè)原則：一是加速度計(jì)的量程必須足夠；二是放大器飽和時(shí)會(huì)有指數(shù)衰減到零基線的過程；三是采樣率偏低時(shí)，起到類似低通濾波的效果，可能會(huì)在時(shí)域波形上錯(cuò)失真正的峰值，導(dǎo)致研究人員忽略放大器飽和故障。

為了解決這類問題，可以采取以下兩個(gè)措施：一是選擇量程更大的加速度計(jì)；二是選用內(nèi)置電子低通濾波電路的加速度計(jì)。