一種新型的沖擊加速度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    自1880年兩位法國科學(xué)家J．Curie和P．Curie在研究石英晶體時發(fā)現(xiàn)材料的壓電現(xiàn)象以后，在材料學(xué)界便引發(fā)了一場壓電材料研究熱。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，壓電材料的種類已經(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(fù)合材料。隨著物理學(xué)、材料科學(xué)與各個學(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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：工作頻率范圍寬(可從幾赫茲到幾百兆赫)、動態(tài)范圍大、頻響時間快、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好(－20℃～+150℃)。
    本測量系統(tǒng)正是基于上述壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)和用戶實(shí)際的需求，提出了新的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了頻帶寬、靈敏度高、工作可靠和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

1 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(yīng)制成的傳感器，其中壓電效應(yīng)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，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)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，具有不同的壓電效應(yīng)，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(gòu)成傳感器的敏感芯體，當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個與加速度成正比的力，并加載到壓電晶體上。

    系統(tǒng)工作原理如圖2所示。測量系統(tǒng)工作時，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(dāng)待測物體受到?jīng)_擊產(chǎn)生加速度時，傳感器產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將加速度轉(zhuǎn)換為電荷量，通過高精度電荷放大器將電荷量變換為電壓量，再經(jīng)信號調(diào)理電路處理后得到與被測加速度成比例的電壓輸出

2 變換器調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    調(diào)理電路器件主要有高精度運(yùn)算放大器TL062ID、低通濾波器MAX7410和電源模塊KDY－24D1212。
2．1 放大電路設(shè)計(jì)
    高精度運(yùn)算放大器TL062ID在調(diào)理電路中起信號轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器U1A部分將傳感器輸入的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；反饋電容C2依據(jù)計(jì)算公式Q＝CU可以改變，用于信號放大和調(diào)節(jié)電壓大??；電容C3起“隔直通交”作用，隔斷運(yùn)算放大器U1A部分自身產(chǎn)生的直流信號，導(dǎo)通傳感器并轉(zhuǎn)換后的交流信號，同時控制輸出信號的下限頻率。
    該電路的電壓輸出范圍設(shè)計(jì)為0～5 V，運(yùn)算放大器U1B部分用于電壓偏置，并設(shè)零位基準(zhǔn)電壓為2．5 V，可以將傳感器測得的正負(fù)加速度方向的電壓輸出保持在0～5 V內(nèi)；穩(wěn)壓管D1限高電壓為5．6 V，對低通濾波器MAX7410起到保護(hù)作用。
2．2 濾波電路設(shè)計(jì)
    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(shè)計(jì)中采用低通濾波器MAX7410，該濾波器帶外衰減快，保證所需帶內(nèi)信號的輸出，如圖4所示。

    在電路中，信號從Vo輸入，經(jīng)過濾波處理，從Vo’輸出；電阻R5電容分壓限流，保護(hù)濾波器MAX7410；C4用于控制帶內(nèi)高頻上限并濾除高頻帶外信號。
2．3 電源電路設(shè)計(jì)
    測試系統(tǒng)由外部電源提供+28 V工作電壓，內(nèi)部采用電源模塊KDY-24D1212將+28V電壓轉(zhuǎn)換成士12 V電壓兩路輸出，一路為運(yùn)算放大器提供工作電壓，一路輸出到其它電源芯片上。

3 試驗(yàn)
    試驗(yàn)分別進(jìn)行靜態(tài)測量和動態(tài)測量，首先，系統(tǒng)連接信號模擬器，放入高低溫試驗(yàn)箱中，并設(shè)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臺和馬歇特沖擊錘上，進(jìn)行實(shí)際動態(tài)測量。通過上述試驗(yàn)，得到頻響曲線和實(shí)測值，如圖5和表1所示。

    圖5中擬合曲線為衰減度和頻率的對應(yīng)關(guān)系，可以看出，帶內(nèi)不平度小于3 dB，帶外衰減度大于－20 dB／oct，符合加速度傳感器輸出特性。
    表1為標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測值比較，從中可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)要求，線性度誤差為1．35％。

4 結(jié)束語
    本文介紹了基于壓電式的一種沖擊加速度測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)易于安裝，電路性能優(yōu)良可靠，并成功地應(yīng)用到實(shí)際測量中。依據(jù)客戶反饋的信息，傳感器完全達(dá)到了技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)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(jì)領(lǐng)域。