壓電加速度傳感器的低頻應(yīng)用指南!

壓電加速度傳感器的低頻應(yīng)用指南!

電荷輸出型加速度計(jì)不適合用于低頻測(cè)量

　　由于低頻振動(dòng)的加速度信號(hào)都很微小，而高阻抗的小電荷信號(hào)非常容易受干擾；當(dāng)測(cè)量對(duì)象的體積越大，其測(cè)量頻率越低，則信號(hào)的信噪比的問(wèn)題更為突出。因此在目前帶內(nèi)置電路加速度傳感器日趨普遍的情況下應(yīng)盡量選用電噪聲比較小，低頻特性優(yōu)良的低阻抗電壓輸出型壓電加速度傳感器。

    傳感器的低頻截止頻率

      與傳感器的高頻截止頻率類同，低頻截止頻率是指在所規(guī)定的傳感器頻率響應(yīng)幅值誤差（±5%， ±10% 或 ±3dB）內(nèi)傳感器所能測(cè)量的低頻率信號(hào)。誤差值越大其低頻截止頻率也相對(duì)越低。所以不同傳感器的低頻截止頻率指標(biāo)必須在相同的誤差條件下進(jìn)行比較。
　　低阻抗電壓輸出型傳感器的低頻特性是由傳感器敏感芯體和內(nèi)置電路的綜合電參數(shù)所決定的。其頻率響應(yīng)特性可以用模擬電路的一階高通濾波器特性來(lái)描述，所以傳感器的低頻響應(yīng)和截止頻率可以用一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)確定。從實(shí)用角度來(lái)看，由于傳感器的甚低頻頻率響應(yīng)的標(biāo)定比較困難，而通過(guò)傳感器對(duì)時(shí)間域內(nèi)階躍信號(hào)的響應(yīng)可測(cè)得傳感器的時(shí)間常數(shù)；因此利用傳感器的低頻響應(yīng)與一階高通濾波器的特性幾乎一致的特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算可方便地獲得傳感器的低頻響應(yīng)和與其對(duì)應(yīng)的低頻截至頻率。

    傳感器的靈敏度和低頻噪聲特性

  　　用于低頻測(cè)量的傳感器一般要求有比較高的靈敏度以滿足低頻小信號(hào)的測(cè)量。但靈敏度的增加往往是有限的。雖然加速度傳感器靈敏度是能達(dá)到10V/g 或更高，但是靈敏度高往往帶來(lái)其他的負(fù)面效應(yīng)，比如傳感器的穩(wěn)定性，抗過(guò)載能力，以及對(duì)周邊環(huán)境干擾的敏感性。因此追求過(guò)高靈敏度并不一定能解決微小信號(hào)的測(cè)量，相反高分辨率和低噪聲的傳感器在工程應(yīng)用中往往更容易解決實(shí)際問(wèn)題。所以選用具有低電噪聲的傳感器在低頻測(cè)量中尤為重要。[2]

    傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍

　　為了表明傳感器所能測(cè)量的最小信號(hào)大部分商業(yè)化的加速度計(jì)也都提供分辨率或電噪聲指標(biāo)。國(guó)內(nèi)絕大部分傳感器的寬帶電噪聲指標(biāo)一般都標(biāo)為20μV，而B(niǎo)W-sensor的寬帶電噪聲指標(biāo)已降低到10μV。然而對(duì)低頻小信號(hào)測(cè)量來(lái)說(shuō)，僅提供寬頻帶的電噪聲并不能反映傳感器在低頻范圍內(nèi)加速度測(cè)量的分辨率；這是因?yàn)橛蓛?nèi)置電路引起的低頻噪聲大小與頻率的倒數(shù)成正比，即所謂1/f噪聲，當(dāng)測(cè)量頻率很低時(shí)傳感器的電噪聲輸出按指數(shù)幅度增長(zhǎng)。所以傳感器的低頻電噪聲的數(shù)值與寬帶電噪聲指標(biāo)是不同的而且頻率越低這種差別越明顯。因此用于甚低頻測(cè)量的傳感器其分辨率常用傳感器輸出電噪聲的功率譜密度表示。此指標(biāo)的實(shí)用意義是傳感器在特定頻率下的噪聲大小，其單位是一般用μV/√Hz或μg/√Hz來(lái)表示。BW-sensor 內(nèi)置電路電噪聲功率譜密度的典型值為3μV/√Hz@ 10 Hz。[2] 

傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)對(duì)低頻測(cè)量的影響

　　由于壓電陶瓷的特性，壓電式加速度計(jì)對(duì)溫度的突然變化都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電荷輸出。傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)指標(biāo)就是衡量傳感器對(duì)溫度變化的敏感程度。這對(duì)低頻測(cè)量尤為重要。由于低頻測(cè)量的信號(hào)很小，而傳感器因環(huán)境溫度變化極可能產(chǎn)生與低頻振動(dòng)信號(hào)相當(dāng)?shù)恼`差；這兩種信號(hào)在甚低頻范圍內(nèi)很難區(qū)分，因此如何減小環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器輸出的影響在低頻測(cè)量中顯得非常重要。傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)指標(biāo)單位是g/oC， 表示瞬態(tài)溫度每變化一度所相當(dāng)?shù)募铀俣容敵?，其值是通過(guò)電壓（電荷）輸出和傳感器靈敏度之間的換算得到的。
　　傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)是由壓電材料直接導(dǎo)致的，因此壓電陶瓷對(duì)由溫度突變所致的電荷輸出大小決定了這一指標(biāo)的好壞。BW-sensor選用目前國(guó)外綜合性能指標(biāo)壓電陶瓷并結(jié)合記憶金屬制成的用于低頻測(cè)量的加速度傳感器經(jīng)國(guó)防兵器、航天和大型結(jié)構(gòu)多年的使用驗(yàn)證了傳感器具有的低頻輸出穩(wěn)定性和抗干擾性能。實(shí)際甚低頻測(cè)量中，為了減低環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器低頻信號(hào)輸出的影響，傳感器的外殼盡可能采用隔熱保護(hù)套。[2] 

傳感器的安裝基座和基座應(yīng)變對(duì)測(cè)量的影響

　　由于低頻測(cè)量傳感器對(duì)高頻響應(yīng)的要求不高因此傳感器使用任何種安裝方式一般都能滿足要求。但需要注意兩個(gè)問(wèn)題，其一是傳感器應(yīng)盡量考慮使用絕緣底座以避免任何由對(duì)地回路引起的噪聲影響測(cè)量信號(hào)。其二是應(yīng)考慮傳感器安裝處的被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變對(duì)傳感器輸出的影響，即傳感器應(yīng)變靈敏度大小。剪切結(jié)構(gòu)形式的壓電加速度傳感器具有良好的基座應(yīng)變特性，一般都能滿足通常的低頻結(jié)構(gòu)測(cè)試。如果結(jié)構(gòu)應(yīng)變過(guò)大對(duì)傳感器的測(cè)量信號(hào)有影響，可通過(guò)減小傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)之間的接觸面積來(lái)降低結(jié)構(gòu)應(yīng)變對(duì)傳感器測(cè)量帶來(lái)的影響。