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压电加速度传感器的灵敏度

发布日期:2019-09-04 11:40    浏览次数:

   1、  电荷灵敏度

 在压电体上施加力的话,将会产生电荷,表示电荷量的数值即为电荷灵敏度。从下记公式可以看出,此灵敏度不受电容负载的影响,即使改变电缆长度,灵敏度也不会有变化。通过电荷灵敏度测量振动时,需要使用电荷放大器。可以将电荷放大器理解为一种积分器,将电荷转换为电压。

                                        1. 电荷放大的等效电路
      1中-A 为运算放大器的放大率(负号代表输入输出之间的相位相反)。Cd 为压电体的静态电容,Cc 为电缆电容,Cf 为反馈电容,Rf 为反馈电阻,qd 为压电体产生的电荷,qf Cf 储存的电荷,q0表示 Cd Cc 储存的电荷。

   此时压电体中产生了电荷 qd。电荷 qd 形成移动电流 i,由于运算放大器的输入电阻为无限大,使得输入电流全部流入反馈电路中。因此压电体产生的电荷 qd 被输入电容 Cd+Cc以及 Cf 全部储存起来。也就相当于 qd= q0+qf。在图1的电路图中,可以得出以下关系。

    这里运算放大器的开环增益 A 远大于 1,因此可以近似为以下公式:
    从上式可以看出,电荷放大器中输入电压 e 通常近似为 0,由q0≒0可以得出qdqf,因此传感器中产生的电荷为反馈电容 Cf 中储存的电荷。上述公式表示电荷放大器的转换率。由此得出,灵敏度不受输入电容(Cd+Cc)的影响,仅与反馈电容相关。

     2、电压灵敏度

   通过电压输出测量振动时,使用电压增幅器(以下称电压放大器)。此时的等价电路如图2

     图中 Rin 为电压增幅器的输入阻抗,Cd 为传感器本身的静态电容,Cc 为电缆电容,qd 表示传感器中产生的电荷。此传感器中产生的电荷 qd 通过电流 i 和输入阻抗 Rin 进行放电。此时电压放大器的输入电压 e 可以表示为下记公式:

   如上述公式所示,电压灵敏度受电容负荷的影响,电缆变长灵敏度则下降。所以此方法不适合延长电缆进行测量。如果需要延长电缆线,将电压放大器作为电压跟随器(阻抗转换器),在其低输出阻抗一侧延长电缆即可。 此时 Cd-Rin 之间尽量缩短接线长度,以避免灵敏度下降以及噪声干扰等现象。

     电压跟随器由于电压保持 e=e0 没有放大,输出电流被放大,因此从结果上看达到了电力放大的效果。因为输出阻抗很低(数 100Ω 以下),所以可以延长电缆,不必考虑摩擦效应带来的电缆噪声问题。可以将小型电压跟随器内置在传感器内部,就具备了上述优势。  

     3、灵敏度的表示方法

     在压电型加速度传感器中,与加速度 a0 成一次比例关系的参数是电压 V 和电荷 Q。因此表示灵敏度就有电压灵敏度和电荷灵敏度两种方法。

   电压灵敏度用相当于加速度 1g9.8m/s²)的输出电压 V,即用 V/g(实用单位:mV/g)表示。从下记公式可以得知,由于受连接电缆电容的影响,一般包含压电体(传感器本身)的电容和附带电缆的电容。

     电荷灵敏度用相当于加速度 1g 的电荷 c(库伦),即 c/g(实用单位:pc/g)表示。从下记公式可以得知,电荷灵敏度不受电容负载的影响,因此连接任意长度的电缆灵敏度仍是一定值。
   电压灵敏度 Sv 和电荷灵敏度 SQ之间的关系,可以用下记公式来表示。
     当静态电容为 850pF 的加速度传感器上连接了 2m 的电缆(1m 相当于 75pF)时,压电灵敏度为 50mV/g。此时电荷灵敏度可以用以下公式表示。
   另外,电荷灵敏度为 100pc/g 传感器本身的静态电容为 850pF 时,连接上 5m 电缆(1m 相当于 75pF)后,终端的电压灵敏度为:

    4、串扰

   一般压电型加速度传感器中有一个轴对于加速度灵敏度最大,称其为主轴灵敏度。当然也有特殊类型的是 2 轴、3 轴型的,通常与固定基座面相对的近乎垂直方向有一个最大灵敏度轴。由于在制作过程中会有误差,因此最大灵敏度轴不是完全垂直于基座。

   如图4.1中,最大灵敏度为 maxSv,其最大灵敏度轴与主轴(Z 轴)有θ °的倾斜。此时主轴灵敏度 Sv 为:

 

  另外,最大横轴灵敏度 maxSvt 为:

 

  通常串扰是通过主敏度 Sv 与最大横轴灵敏度 maxSvt 之比的百分率来表示的。

     
     另外,从最大横轴灵敏度轴(X 轴)倾斜 φ 后,     
     
     本公司的传感器的串扰全部在 5%以下(通常 1~2%以下),因此对于一般的振动测量不会产生影响。主轴灵敏度 Sv 和横轴灵敏度 Svt 的指向性如图 4.2 4.3
   如果出现串扰问题,可以选择串扰小的加速度传感器,使传感器的最小横轴灵敏度轴(图4.3 Y 轴)面向需要测量的振动体的最大横轴振动方向,这样可以将串扰的影响降到最低。