時(shí)間:2018-06-04 18:10:56來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
振動(dòng)試驗(yàn)中,我們對(duì)控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等的振動(dòng)量值大多是通過(guò)加速度傳感器采樣得到的,該數(shù)值的正確性、可信性,直接影響到對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果的判定。影響振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)量值的正確獲得,除了與傳感器的安裝位置、試件的安裝等外,還跟傳感器的技術(shù)指標(biāo)有關(guān),它是得到振動(dòng)量值的最直接也是最重要的單元之一。本文結(jié)合理論及實(shí)際經(jīng)驗(yàn),介紹振動(dòng)試驗(yàn)中壓電式加速度傳感器的選擇。
1.靈敏度
壓電式加速度傳感器的靈敏度有兩種表示方法,一個(gè)是電荷靈敏度Sq,另一個(gè)是電壓靈敏度Sv,其電學(xué)特性等效電路如圖1。
圖1壓電式加速度傳感器的是電學(xué)特性等效電路
壓電片上承受的壓力為F1=ma,在壓電片的工作表面上產(chǎn)生的qa與被測(cè)振動(dòng)的加速度a成正比:即
展開(kāi)剩余85%
Qa=Sqa
其中,比例系數(shù)Sq就是壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度,量綱是[pC/ms2]。傳感器的開(kāi)路電壓:
Ua=Qa/Ca
式中,Ca為傳感器的內(nèi)部電容量,對(duì)于一個(gè)特定的傳感器來(lái)說(shuō),Ca為一個(gè)確定值。所以也就是說(shuō),加速度傳感器的開(kāi)路電壓Ua也與被測(cè)加速度a成正比,比例系數(shù)Sv就是壓電式加速度傳感器的電壓靈敏度,量綱是[mV/ms2]。
Ua=(Sq/Ca)*a
在壓電式加速度傳感器的使用說(shuō)明書(shū)上所標(biāo)出的電壓靈敏度,一般是指在限定條件下的頻率范圍內(nèi)的電壓靈敏度Sv。在通常條件下,當(dāng)其它條件相同時(shí),幾何尺寸較大的加速度傳感器有較大的靈敏度。使用說(shuō)明書(shū)上還會(huì)給出最小加速度測(cè)量值,也稱最小分辨率,考慮到后級(jí)放大電路噪聲問(wèn)題,應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可能值,以確保最佳信噪比。最大測(cè)量極限要考慮加速度傳感器自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓。
估算方法:
最大被測(cè)加速度×傳感器電荷(電壓)靈敏度,其數(shù)值是否超過(guò)配套儀器的最大輸入(電壓)值。
如已知被測(cè)加速度范圍可在傳感器指標(biāo)中的參考量程范圍中選擇(兼顧頻響、重量),同時(shí),在頻響、質(zhì)量允許的情況下,盡量選擇高靈敏度的傳感器,以提高后續(xù)儀器輸入信號(hào),提高信噪比。
在兼顧頻響、質(zhì)量的同時(shí),可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度:
振動(dòng)加速度在1ms2~100ms2左右,可選300pC/ms2~30pC/ms2的加速度傳感器;
振動(dòng)加速度在100ms2~1000ms2,可選擇20pC/ms2~2pC/ms2的加速度傳感器;
碰撞、沖擊測(cè)量一般10000ms2~1000000ms2,可選擇0.2pC/ms2~0.002pC/ms2的加速度傳感器。
2.頻率
圖2壓電式加速度傳感器的頻率特性曲線
因此就傳感器本身而言,固有頻率fn是其主要參數(shù),通常一般幾何尺寸較小的傳感器有較高的固有頻率,但靈敏度較低。權(quán)衡傳感器的靈敏度和使用頻率范圍這一對(duì)矛盾,到底如何取舍?這決定于測(cè)量要求。但是就一項(xiàng)精確的測(cè)量而言,寧肯選取較小靈敏度的加速度傳感器,也要保證有足夠?qū)挼挠行ьl率范圍。
選擇加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)高于被測(cè)試件的振動(dòng)頻率,有倍頻分析要求的加速度傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)更高。
低頻振動(dòng):加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz~1kHz;
中頻段振動(dòng):機(jī)械設(shè)備一般是中頻段,可根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、設(shè)備剛度等因素綜合估算振動(dòng)頻率,選擇0.5Hz~5kHz的加速度傳感器;
碰撞、沖擊:測(cè)量高頻居多。
加速度傳感器的安裝方式不同也會(huì)改變使用頻響。安裝面要平整、光潔,安裝選擇應(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。安裝方式的不同對(duì)測(cè)試頻率的響應(yīng)影響很大,應(yīng)注意選擇。
3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)
內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指敏感材料晶體片感受振動(dòng)的方式及安裝形式。有壓縮和剪切兩大類(lèi),常見(jiàn)的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環(huán)型剪切。
中心壓縮頻響高于剪切型,剪切型對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測(cè)量速度、位移時(shí),最好選用剪切型產(chǎn)品,這樣所獲得的信號(hào)波動(dòng)小,穩(wěn)定性好。
4.內(nèi)置電路
內(nèi)置是指將放大電路置于加速度傳感器內(nèi),成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源(四線)和單電源(二線、帶偏置,又稱ICP)兩種,內(nèi)置電路傳感器一般是與數(shù)據(jù)采集儀配套,直接采集數(shù)據(jù)。ICP型加速度傳感器的供電和信號(hào)輸出共用一根線,其特點(diǎn)是:低阻抗輸出,抗干擾,噪聲小,性能價(jià)格比高,安裝方便,尤其適于多點(diǎn)測(cè)量,穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。
內(nèi)置電路傳感器靈敏度的選型計(jì)算:
被測(cè)加速度值(g)=最大輸出電壓(mV)/傳感器靈敏度(mV/g)
如選用目前最為通用的100mV/g,可測(cè)50g以內(nèi)振動(dòng);如測(cè)量100g,則用50mV/g的加速度計(jì),其余以此類(lèi)推。
5.環(huán)境影響
在機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)室環(huán)境一般較為惡劣,考慮因素較多,如高溫、強(qiáng)磁電場(chǎng)及地電回路等,均會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的影響,另電纜噪聲和基座應(yīng)變都會(huì)造成虛假數(shù)據(jù)。
在一般機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)室主要環(huán)境因素影響是高溫,多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為可用值,而不是高溫狀況的靈敏度,實(shí)際上,高溫時(shí)靈敏度偏差較大。因?yàn)闃?biāo)定靈敏度是在室溫20的條件下測(cè)定的,根據(jù)使用環(huán)境溫度的不同,可按每個(gè)傳感器出廠時(shí)給出的溫度修正曲線(或向廠商索。┬拚潇`敏度,靈敏度指標(biāo)是保證測(cè)試準(zhǔn)確的關(guān)鍵。使用加速度傳感器時(shí),不允許超過(guò)許用溫度,否則會(huì)造成壓電元件的損壞。另外,溫度瞬變也會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)漂移造成誤差。
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