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測(cè)量振動(dòng) | 壓電加速度計(jì)的特性

2022-01-19 18:06:58·  來(lái)源：BK聲學(xué)與振動(dòng)  
　
壓電式加速度計(jì)普遍用于振動(dòng)測(cè)量，與任何其他類型的振動(dòng)傳感器相比，它具有更好的全方位特性。它具有非常寬的頻率和動(dòng)態(tài)范圍，在整個(gè)范圍內(nèi)具有良好的線性度，它
壓電式加速度計(jì)普遍用于振動(dòng)測(cè)量，與任何其他類型的振動(dòng)傳感器相比，它具有更好的全方位特性。它具有非常寬的頻率和動(dòng)態(tài)范圍，在整個(gè)范圍內(nèi)具有良好的線性度，它相對(duì)牢固和可靠，因此其特性可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。
壓電加速度計(jì)的特性
壓電加速度計(jì)是自發(fā)電的，因此不需要電源。沒有可磨損的運(yùn)動(dòng)部件，且輸出與加速度成比例的信號(hào)并可積分成速度和位移信號(hào)。它們能夠在極端溫度下工作，但受到高輸出阻抗的限制，需要低噪聲電纜和電荷放大器來(lái)適調(diào)信號(hào)。
壓電加速度計(jì)的核心是壓電材料的切片，通常是一種人工極化的鐵電陶瓷，具有獨(dú)特的壓電效應(yīng)。當(dāng)它在張力、壓縮或剪切方面受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，它會(huì)在其極面上產(chǎn)生與施加的力成正比的電荷。
加速度計(jì)設(shè)計(jì)
在實(shí)際的加速度計(jì)設(shè)計(jì)中，壓電元件被布置成使得當(dāng)組件被振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量單元向壓電元件施加與所受振動(dòng)加速度成正比的力。這可以從公式中看出：力=質(zhì)量x加速度。
對(duì)低于質(zhì)量彈簧系統(tǒng)諧振頻率以下的頻率，質(zhì)量的加速度將與基礎(chǔ)的加速度相同，因此輸出信號(hào)的幅度將與基座承受的加速度成正比。
通常使用兩種配置：
質(zhì)量對(duì)壓電元件施加壓縮力的壓縮類型和質(zhì)量對(duì)壓電元件上施加剪切力的剪切類型。
壓電式加速度計(jì)類型
大多數(shù)制造商都提供各種各樣的加速度計(jì)，如果不了解，就無(wú)法輕松做出選擇。 但是一小組“通用”類型可以滿足大多數(shù)需求。這些連接器有頂部或側(cè)面安裝的連接器，靈敏度范圍為1至10mV或pC/ms-2。Brüel & Kj?r Uni-Gain®類型的靈敏度已標(biāo)準(zhǔn)化為方便的“圓整數(shù)字”，例如1或10pc/ms-2，以簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
CCLD/Deltatron®或者IPE加速度計(jì)
CCLD（恒流線路驅(qū)動(dòng)）加速度計(jì)或IEPE（集成電子Piezo Electric）加速度計(jì)是帶有集成前置放大器的壓電式加速度計(jì)，可在電源線上以電壓調(diào)制的形式提供輸出信號(hào)。
Brüel & Kj?r的IEPE加速度計(jì)具有高輸出靈敏度、高信噪比和寬帶寬，因此適用于通用和高頻振動(dòng)測(cè)量。
這些加速度計(jì)是高性能儀器，其輸出靈敏度高于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)（不帶積分放大器情形）。它們采用氣密密封以防止環(huán)境污染，對(duì)射頻和電磁輻射的敏感性較低，由于采用了外部恒流電源，它們的輸出阻抗較低。低阻抗輸出允許您使用廉價(jià)的同軸電纜用于加速度計(jì)。
許多超出通用范圍的加速度計(jì)的特性傾向于特定應(yīng)用。例如：小型加速度計(jì)，用于高級(jí)值或高頻測(cè)量，用于重約0.5至2克的精密結(jié)構(gòu)、面板等。
其他特殊用途類型經(jīng)過優(yōu)化，可在三個(gè)相互垂直的方向上同時(shí)進(jìn)行測(cè)量：高溫；極低的振動(dòng)水平；高沖擊；比較其他加速度計(jì)的校準(zhǔn)；以及在工業(yè)機(jī)器上進(jìn)行永久監(jiān)控。
加速度計(jì)靈敏度、質(zhì)量和動(dòng)態(tài)范圍
靈敏度是通?？紤]的第一個(gè)特性。理想情況下，我們希望獲得較高的輸出水平，但有一點(diǎn)我們必須妥協(xié)，因?yàn)楦哽`敏度通常需要相對(duì)較大的壓電組件，因此需要一個(gè)相對(duì)較大的質(zhì)量單元。
在正常情況下，靈敏度不是一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)楝F(xiàn)代前置放大器可輕松處理這些低電平信號(hào)。在輕質(zhì)物體上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，加速度計(jì)的低質(zhì)量變得非常重要。額外的質(zhì)量會(huì)顯著改變測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)水平和頻率。
通常，加速度計(jì)的質(zhì)量應(yīng)不超過安裝在其上的振動(dòng)部分的動(dòng)態(tài)質(zhì)量的十分之一。
當(dāng)希望測(cè)量異常低或高的加速度水平時(shí)，應(yīng)考慮加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍。圖中顯示的下限通常不是由加速度計(jì)直接決定的，而是由連接電纜和放大器電路產(chǎn)生的電噪聲決定的。對(duì)于通用儀器，此限制通常低至m/s的百分之一。
上限由加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定。典型的通用加速度計(jì)的線性高達(dá)50000至100000m/s，這已經(jīng)上升到機(jī)械沖擊的范圍內(nèi)。專為測(cè)量機(jī)械沖擊而設(shè)計(jì)的加速度計(jì)線性可以高達(dá)1000km/s(100000g)。
加速度計(jì)頻率范圍
機(jī)械系統(tǒng)的大部分振動(dòng)能量往往包含在10Hz至1000Hz之間的相對(duì)較窄的頻率范圍內(nèi)，但是測(cè)量結(jié)果通常可以說(shuō)是10kHz，因?yàn)樵谶@些較高頻率下，通常會(huì)有一些有趣的振動(dòng)分量。因此，在選擇加速度計(jì)時(shí)，我們必須確保加速度計(jì)的頻率范圍可以覆蓋感興趣的范圍。
實(shí)際上，在低頻端，加速度計(jì)提供真實(shí)輸出的頻率范圍受到兩個(gè)因素的限制。第一個(gè)是緊隨其后的放大器的低頻截止。這通常不是問題，因?yàn)橄拗仆ǔ＿h(yuǎn)低于1Hz。 第二個(gè)是環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，加速度計(jì)對(duì)此很敏感。使用現(xiàn)代剪切式加速度計(jì)，這種影響最小，允許在正常環(huán)境下測(cè)量低至1Hz以下。
上限由加速度計(jì)本身的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的諧振頻率決定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果我們將頻率上限設(shè)置為加速度計(jì)共振頻率的三分之一，我們就知道，在組件的上限頻率下測(cè)得的振動(dòng)誤差不會(huì)超過+12％。
對(duì)于質(zhì)量較小的小型加速度計(jì)，諧振頻率可以高達(dá)180kHz，但是對(duì)于較大、輸出更高的通用加速度計(jì)，通用加速度計(jì)，通用加速度計(jì)的共振頻率通常為20至30kHz。
加速度計(jì)共振誤差
由于加速度計(jì)通常會(huì)在高頻端因?yàn)楣舱耢`敏度大幅升高，因此其輸出將無(wú)法真實(shí)顯示這些高頻測(cè)量點(diǎn)處的振動(dòng)。
在頻率分析振動(dòng)信號(hào)時(shí)，人們可能以為很容易地識(shí)別由加速度計(jì)共振引起的高頻峰，因此往往忽略了它。這時(shí)，如果要獲取包括加速度計(jì)共振在內(nèi)的整體寬帶讀數(shù)，同時(shí)要測(cè)量的振動(dòng)在諧振頻率周圍的區(qū)域中也有分量，則會(huì)得出不準(zhǔn)確的結(jié)果。
通過選擇頻率范圍盡可能寬的加速度計(jì)，然后使用低通濾波器（通常包含在振動(dòng)計(jì)和前置放大器中）來(lái)消除由加速度計(jì)共振引起的不需要的信號(hào)，可以克服這個(gè)問題。
在測(cè)量?jī)H限于低頻的情況下，可以使用機(jī)械濾波器消除高頻振動(dòng)和加速度計(jì)共振效應(yīng)，例如消除電子設(shè)備上的過載。它們由粘接在兩個(gè)安裝盤之間的彈性介質(zhì)（通常是橡膠）組成，安裝在加速度計(jì)和安裝表面之間。它們通常會(huì)將上限頻率降低到0.5kHz至5kHz之間。


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