理论教育 压电加速度传感器的应用研究

压电加速度传感器的应用研究

时间:2023-07-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:在实际使用压电加速度传感器时,通常使用低噪声电缆进行信号传输。图14-26Walter展示的压电陶瓷加速度传感器发生零点漂移现象由于压电陶瓷材料不是严格意义上的弹性材料,当作用于压电元件上的力突然减小时,材料的分子畴不可能都回到受力前的状态。这种现象随机发生,符号也是随机的,这就是压电陶瓷式加速度传感器在经受大冲击后发生的零点漂移现象。

压电加速度传感器的应用研究

在实际使用压电加速度传感器时,通常使用低噪声电缆进行信号传输。这是因为当传感器电缆承受机械振动和弯曲变形,电缆的屏蔽层和电缆介质分离时,由于摩擦将在分离部分的内表面产生电荷,这种感生电荷将叠加在压电元件输出的电荷上,形成电缆噪声。这种噪声一般低于200 Hz。此外,电缆受到强磁场、电场的影响也会造成噪声干扰。因此,一般的屏蔽线不适宜作为压电传感器的输出线,而只能使用特制的低噪声同轴电缆,在其内绝缘层和屏蔽层间充有硅油和石墨粉,从而有效地防止由于电缆振动及弯曲造成的摩擦生电效应,减小噪声干扰。同时,从减少电缆振动和保护电缆的角度出发,对电缆采取合理的固定措施也是必不可少的。

除去以上讨论到的噪声、低频泄漏、下限频率等问题,压电加速度传感器还有一些固有特性值得关注。

1999年美国引信年会上,曾在美国桑迪亚(Sandia)国家实验室从事测试技术研究的Patrick L.Walter教授介绍了压电加速度传感器在高冲击的应用情况,回顾了此前30余年间进行核效应测试中在加速度传感器设计与应用领域积累的技术经验,并讨论了加速度传感器用于侵彻弹药引信中不可回避的问题。Walter指出:

(1)侵彻环境下的待测加速度经常可以高达数万倍重力加速度。

(2)对结构的力学激励会造成极高的频率响应。

(3)压电陶瓷式的加速度传感器由于压电陶瓷材料在经历大冲击后会出现零点漂移。(www.daowen.com)

(4)石英晶体式加速度传感器的石英晶体不易发生零点漂移,但其预压结构会在大冲击下引入另一种零点漂移,如图14-26所示。

图14-26 Walter展示的压电陶瓷加速度传感器发生零点漂移现象

由于压电陶瓷材料不是严格意义上的弹性材料,当作用于压电元件上的力突然减小时,材料的分子畴不可能都回到受力前的状态。当力消失时,元件仍产生缓慢衰减的电荷,直至前置放大器输出回到零,其归零速率取决于放大器的下限频率。这种现象随机发生,符号也是随机的,这就是压电陶瓷式加速度传感器在经受大冲击后发生的零点漂移现象。另外,虽然石英晶体式加速度传感器在压电材料方面不存在上述问题,但由于采用压缩结构可以比剪切结构的传感器更好地适应高冲击环境(剪切型超量程将直接损坏其结构),而顶压结构在高冲击下会发生卸载甚至屈服,从而造成另一种形式的零点漂移。

在侵彻弹药引信上应用,这种零点偏移对信号值设定、信号积分处理等后续信号处理过程有较大影响,从而限制了这类传感器的应用。但在各种高冲击试验中,如对试验靶体、冲击台体感受的冲击加速度进行测量时,由于被测对象质量较大,感受冲击相对较低,通过配置性能良好的电荷放大器,或采用ICP型传感器,压电加速度传感器仍可提供可靠的测量能力。

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