一種新型沖擊加速度測量系統的設計方案

發(fā)布時(shí)間:2011-1-25 20:51    發(fā)布者:conniede
關(guān)鍵詞: 測量 , 傳感器 , 電源 , 加速度
1 引言

自1880年兩位法國科學(xué)家J.Curie和P.Curie在研究石英晶體時(shí)發(fā)現材料的壓電現象以后,在材料學(xué)界便引發(fā)了一場(chǎng)壓電材料研究熱。經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展,壓電材料的種類(lèi)已經(jīng)由最初的壓電晶體發(fā)展到壓電陶瓷、進(jìn)而發(fā)展到壓電聚合物及其復合材料。隨著(zhù)物理學(xué)、材料科學(xué)與各個(gè)學(xué)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(diǎn):工作頻率范圍寬(可從幾赫茲到幾百兆赫)、動(dòng)態(tài)范圍大、頻響時(shí)間快、靈敏度高、溫度穩定性好(-20℃~+150℃)。

本測量系統正是基于上述壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)和用戶(hù)實(shí)際的需求,提出了新的設計方案,實(shí)現了頻帶寬、靈敏度高、工作可靠和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

2 工作原理

壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)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(zhì)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(shí),由于內部電荷的極化現象,會(huì )在其表面產(chǎn)生電荷的現象。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(shí),具有不同的壓電效應,只對單軸向受力敏感。敏感質(zhì)量是附加質(zhì)量塊,它和壓電晶體構成傳感器的敏感芯體,當質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉換成一個(gè)與加速度成正比的力,并加載到壓電晶體上。

系統工作原理如圖2所示。測量系統工作時(shí),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(shí),傳感器產(chǎn)生壓電效應,將加速度轉換為電荷量,通過(guò)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依據計算公式Q=CU可以改變,用于信號放大和調節電壓大;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(shí)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(jìn)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(guò)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(jìn)行靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量,首先,系統連接信號模擬器,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(dòng)臺和馬歇特沖擊錘上,進(jìn)行實(shí)際動(dòng)態(tài)測量。通過(guò)上述試驗,得到頻響曲線(xiàn)和實(shí)測值,如圖5和表1所示。



圖5中擬合曲線(xiàn)為衰減度和頻率的對應關(guān)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(shí)測值比較,從中可以看出,各項指標均符合技術(shù)要求,線(xiàn)性度誤差為1.35%。

5 結束語(yǔ)

本文介紹了基于壓電式的一種沖擊加速度測量系統,結構易于安裝,電路性能優(yōu)良可靠,并成功地應用到實(shí)際測量中。依據客戶(hù)反饋的信息,傳感器完全達到了技術(shù)要求的標準,可應用于航空、航天、國防等軍品領(lǐng)域以及鐵路、橋梁、建筑等國民經(jīng)濟領(lǐng)域。
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