压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究

仪表技术与传感器

Instrument󰀁Technique󰀁and󰀁Sensor2007󰀁No󰀁7󰀁

压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究

陆兆峰,秦󰀁

,陈󰀁禾,林󰀁立,张󰀁颖

(重庆交通大学,重庆󰀁400074)

󰀁󰀁摘要:压电式加速度计具有体积小、质量轻、测量范围宽等特点,在振动测量系统中得到广泛应用。分析了压电式传感器作为一种机电换能器,将振动加速度转变成为电量进行测振的具体原理;阐述了基于压电式加速度计构建振动测量系统的总体方案,整个测试系统主要由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,采集所得振动信号可以实时显示、存储、分析和处理。最后,将该系统应用于压路机实际测振进行了验证。关键词:振动试验;测量系统;压电式加速度计;电荷放大器;动态数据采集测试仪中图分类号:TH825󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1002-1841(2007)07-0003-02

ApplicationandInvestigationofPiezoelectricAccelerometer

onVibrationMeasurementSystem

LUZhao󰀁feng,QINMin,CHENHe,LINLi,ZHANGYing(ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Abstract:Introducedthecharacteristicsofthepiezoelectricaccelerometersuchassmallvolume,low󰀁weight,widemeasurerange.Statedthetechniqueusedinvibrationmeasurementsystem;analyzedtheoperatingprincipleofpiezoelectricaccelerometerfromvibrationaccelerationtocharge;andalsodiscussedtheoverallprojectbasedonpiezoelectricaccelerometer.Thevibrationmeasurementsystemcon󰀁sistsofpiezoelectricaccelerometer,chargeamplifier,dynamicdataacquisition&analysissystemandsoon.Acquiredvibrationsignalcanbedisplayed,stored,analyzedandprocessedinrealtime.Finally,thesystemwasvalidatedinactualmeasurementofroadroller.Keywords:vibrationexperimentation;measurementsystem;piezoelectricaccelerometer;chargeamplifier;dynamicdataacquisition&analysissystem

1󰀁压电式加速计的测振原理

压电式传感器是一种机电换能器,所用的压电材料(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时,会在压电材料的极化面上产生电荷,其电荷量与所受的载荷成正比。

当压电晶体片受力时,晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷,由于晶体片的绝缘电阻很高,因此压电晶体片相当于一只平行板电容器[1-2],如图1所示。

󰀁A.d

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为其电容量为Ca=

d33dd33dqea==F=Fsin󰀁t

Ca󰀁A󰀁Am

(1)

(安装基面粗糙度不超过0󰀁41󰀁m)。当加速度计受振动时,由于压电片具有的压电效应,它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。而此交变电荷(电压)又与作用力成正比,因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。2󰀁采用压电式加速度传感器的振动测试方案2󰀁1󰀁整体方案设计

典型的振动测试系统由压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成,如图2所示。被测对象的振动加速度信号经传感器拾振,由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器,电荷放大器将信号转换为电压信号并放大,通过数据采集测试仪采样,便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通过计算机实时显示、分析和处理,也可以保存以便二次处理。

式中:󰀁为压电晶体的介电常数;A为晶体片(构成极板)的面积;d为晶体片的厚度;d33为压电系数;F为沿晶轴施加的力。

图1󰀁压电晶体内部等效图

图2󰀁振动测试系统

󰀁󰀁压电式加速度计的晶体片确定后,d33、d、󰀁、A都是常数,则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。

测量时,将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起

收稿日期:2006-11-14󰀁收修改稿日期:2007-05-132󰀁2󰀁系统组成

2󰀁2󰀁1󰀁压电式加速度计

测试系统中,压电式加速度计的作用是把振动量转换成相应的电信号。为准确地进行测量,对加速度计有如下的基本要求[3]:(1)具有较宽的动态范围,即对非常低和非常高的振动都

󰀁󰀁󰀁󰀁4

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InstrumentTechniqueandSensor

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能精确地响应;(2)具有较宽的频率响应范围;(3)在其频率响应范围内具有良好的线性度;(4)对环境干扰具有最低的灵敏度;(5)结构坚固,工作可靠,能够长时间保持稳定的特性。

在使用加速度计时,应特别注意灵敏度性能指标。灵敏度是指在一定机械量作用下,传感器输出的电荷(电压)数。灵敏度有2种表现方式:电荷灵敏度和电压灵敏度。由于系统加速度计是与电荷放大器连接使用,因此选用电荷灵敏度;

Sq=

输出电荷q=

输入加速度a

高的高增益运算放大器。它将压电加速度计看成电荷源,并输出与之成正比的低输入阻抗的电信号。其作用是[4]:变压电加速度计的高输出阻抗为前置放大器的低输出阻抗,以便同测量仪相匹配;放大从传感器输出的微弱信号,或者把它的电荷变成电压信号;输出电压归一化。即它与不同灵敏度的传感器相配合时,在相同的信号输入下,达到相同的输出电压。2󰀁2󰀁3󰀁动态数据采集测试仪

动态数据采集测试仪是振动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接口和程序控制的多功能智能仪表,具有内置调理功能,可直接对加速度信号进行测量,也可以通过相应的控制模块对外控制输出,通过其自带的RS-232、RS-485/422、GPIB或Ethernet等通讯接口,能与加速度传感器、前置处理器、计算机等设备组成适用于各种领域的振动测量数据测试分析系统。目前,市场上能与加速度计匹配的数据采集仪型号繁多,性能稳定。但对数据采集仪有如下基本要求:具有标准总线体系结构,电路设计和结构设计的稳定性好;操作简单,使用方便,具有很好的可靠性及可维护性;具备多通道并行数据采集的功能;具备一机多用,能实现信号采集、数据存储、分析处理等多功能;具备强大的数据处理能力和数据输出能力(存盘、通讯、打印、修改曲线等);具备灵活的组合和扩展功能。2󰀁3󰀁振动压路机振动的测量

各种建筑工程基础压实中经常使用振动压路机,其工作部件(振动轮)的压实效果受多种因素的影响。通常被压土壤性能影响工作中振动压路机振动轮的动态性能;另外,为实现高效压实,振动压路机中各种运行参数也随被压土壤性能自动调整;因此振动轮相关参数的变化规律和调整准则的研究显得尤为重要。

结合振动轮系统理论分析结论,采用如图4所示的测量系统,选择某样机在施工现场测取系统的主要响应信号。由分离的加速度计、电荷放大器、数据采集测试仪组成振动测量系统,该系统主要技术指标如下[5]:

通道数为8;采集方式为多通道并行;A/D分辨率为12bit;最高采样频率为1MHz;频率范围为0󰀁5Hz~6kHz;低通滤波器的衰减斜率为-12dB/OCT;加速度工作方式为叠加型平面剪切;平均方式为块平均(又称顺序平均);加速度测量范围为0~50m/s2;数据存储深度为任意(视硬盘空间而定)。

加速度计可直接安装在试件表面上,也可用安装块。无论采用何种方式安装,都应保证传感器的敏感轴向与受力方向的一致性;另外,为保证最佳的机械接触面,安装接触面要求有高平行度、平直度和低粗糙度。如果被测物表面形状复杂,需同时测量多方向的加速度或为避免试件补加工等场合,则需借助安装块进行安装。实际测试时,为了防止电缆相对运动产生摩擦而引起的󰀁电效应󰀁,除需选用低噪声电缆,还应把电缆牢固地固定在试件上。2󰀁2󰀁2󰀁电荷放大器

压电加速度计产生的电荷量很小,输出阻抗很高,因此与它相连的仪器输入阻抗的大小将对测量系统的性能产生重大影响。高输入阻抗的前置放大器就是以此为目的而设置的。

压电加速度计与电荷放大器相连后的等效电路如图3所示

[1-2]

。其中,q为传感器产生的电荷;A为电荷放大器开环放

大倍数;Ra为传感器内部电阻;Ri为电荷放大器的输入电阻;Ca为传感器内部固有电容;Cc为连接电缆的分布电容;Ci为放大器的等效电容;Cf为电荷转换级的反馈电容;Ui与Uo分别为电荷放大器的输入与输出电压。

图3󰀁电荷放大器等效电路

由运算放大器基本特性,可将等效电路图简化并得出电荷放大器的输出电压为

Uo=-Aq

Ca+Cc+Ci+(1+A)Cf

(2)

通常A=104~106,因此若满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci

时,式(2)可表示为

Uo󰀁-q-Sq=aCfCf

(3)

图4󰀁压路机振动测量系统

式中:Sq为传感器的电荷灵敏度;a为传感器的输入加速度。

由式(3)看出,电荷放大器的输出电压基本上由传感器电荷灵敏度和反馈电容的大小来确定,而传感器的内部电容和连接电缆的分布电容及放大器的输入电容对输出电压的影响较小。

可见,电荷放大器实际上是具有负反馈电容、输入阻抗极测试现场压实材料为砾类土,压路机的行走速率控制为1󰀁7km/h.对采集得到的加速度信号进行功率谱分析,可得功率谱值的变化趋势,与理论分析所得结论是一致的,即振动轮系统中主要响应参数是随着压实作业过程中土壤性能变化呈现规律性变化的。将此规律应用于土壤压实度的自动检测,为土壤密实度在线监测系统提供了新思路。在提高(下转第9页)

󰀁󰀁

󰀁第7期

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李中秀等:基于FPGA的调频式电涡流位移传感器

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󰀁9󰀁

标定后的输出特性曲线可知,该传感器具有良好的线性度。

图8为传感器温度补偿效果图,将传感器放置于温控箱中,并将测量位移分别固定为4mm、8mm和12mm,调整箱内温度从0逐渐变化到80󰀁,观察传感器输出位移的漂移。补偿前,传感器的温漂为0󰀁183%FS/󰀁,补偿后温漂减小为0󰀁025%

图6󰀁温度测量单元示意图

FS/󰀁.可见,该补偿办法显著提高了传感器的温度特性。

󰀁󰀁画出传感器在不同温度下的若干条输出曲线。据观察,各曲线之间近似平行,则可将固定位移下传感器的温度模型近似等效为

x󰀁x0+󰀁xt

位移的改变量;x为当前温度下传感器的输出位移量。

温补位移量与频率查表所得的位移量根据式(4)进行运算,即可得到传感器的实际输出位移量x0。2󰀁4󰀁RS-485通信接口

为了提高传感器输出的抗干扰性能,将位移量直接以数字信号的形式通过RS-485接口发送。利用Quartus󰀁提供的参数化移位寄存器lpm󰀁shiftreg设计相应的并串转换单元,将温补后的并行位移量转化为串行数据送给RS-485发送芯片。3󰀁实验结果

将该结构的传感器应用于中低速磁悬浮列车中时,被测体为悬浮轨道的下表面,材料为A3钢。标定前后,传感器的输出特性曲线如图7所示。

4󰀁结论

为解决中低速磁悬浮列车现有调幅式传感器存在的问题,设计了一种调频式电涡流传感器。整个设计的数字化部分基于单片FPGA芯片,完成了M/T法高精度频率测量、查表法线性化处理、温度补偿和RS-485通信接口转换等功能,提高了系统的集成度,最后通过实验验证了系统方案的可行性,给出了传感器标定前后的输出特性曲线和温度补偿效果图,该传感器测量范围为0~15mm,线性度为0󰀁8%,灵敏度为3kHz/mm,分辨率为0󰀁66%FS,温漂为0󰀁025%FS/󰀁.适于在各个场合推广应用。参考文献:

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󰀁󰀁(a)标定前󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(b)标定后图7󰀁传感器标定前后输出特性曲线

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[7]󰀁蒋齐密,张新访,刘土光,等.电涡流检测系统的参数设置依据.无

损检测,2001,23(3):100-105.

图8󰀁传感器温度补偿效果

(4)

式中:x0为常温时传感器的输出位移;󰀁xt为温度为t时传感器

标定前,频率和灵敏度随着位移的增加都逐渐减小,呈非线性特性。由于拟合过程由Matlab实现并采用查表的方式线性化,拟合曲线和校准曲线之间最大偏差为1kHz,所以线性度为0󰀁6%FS,灵敏度最差时为3kHz/mm,分辨率为0󰀁66%FS.从(上接第4页)振动轮的压实效果的同时,此规律也为实现振动压路机压实作业的自动化提供了理论依据。3󰀁结束语

压电式加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪组成振动测试系统的原理,可以为振动加速度测量或监测提供一种手段,也可为需要解决振动现象的工程提供可靠的试验数据和技术支持。随着科学技术、工农业生产和国防建设事业的迅速发展,大量的工程振动问题不断地出现,相信该系统将应用更加广泛。参考文献:

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作者简介:陆兆峰(1979󰀁),硕士研究生,研究方向为工程机械机群智能

化技术,车辆故障诊断与检测技术。