一種新型的沖擊加速度測量系統設計

0 引言
??? 自1880年兩位法國科學家J．Curie和P．Curie在研究石英晶體時發現材料的壓電現象以后，在材料學界便引發了一場壓電材料研究熱。經過一百多年的發展，壓電材料的種類已經由最初的壓電晶體發展到壓電陶瓷、進而發展到壓電聚合物及其復合材料。隨著物理學、材料科學與各個學科的交叉發展，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特的優點：工作頻率范圍寬(可從幾赫茲到幾百兆赫)、動態范圍大、頻響時間快、靈敏度高、溫度穩定性好(－20℃～+150℃)。
??? 本測量系統正是基于上述壓電式傳感器的優點和用戶實際的需求，提出了新的設計方案，實現了頻帶寬、靈敏度高、工作可靠和重量輕等優點。

1 工作原理
??? 壓電式傳感器是利用某些電介質受力后產生的壓電效應制成的傳感器，其中壓電效應是指某些電介質在受到某一方向的外力作用而發生形變，包括彎曲和伸縮形變時，由于內部電荷的極化現象，會在其表面產生電荷的現象。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，只對單軸向受力敏感。敏感質量是附加質量塊，它和壓電晶體構成傳感器的敏感芯體，當質量塊受到加速度作用后便轉換成一個與加速度成正比的力，并加載到壓電晶體上。

??? 系統工作原理如圖2所示。測量系統工作時，壓電式傳感器安裝在待測物體上，傳感器外接信號變換器。當待測物體受到沖擊產生加速度時，傳感器產生壓電效應，將加速度轉換為電荷量，通過高精度電荷放大器將電荷量變換為電壓量，再經信號調理電路處理后得到與被測加速度成比例的電壓輸出

2 變換器調理電路設計
??? 調理電路器件主要有高精度運算放大器TL062ID、低通濾波器MAX7410和電源模塊KDY－24D1212。
2．1 放大電路設計
??? 高精度運算放大器TL062ID在調理電路中起信號轉換放大、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，運算放大器U1A部分將傳感器輸入的電荷信號轉換為電壓信號；反饋電容C2依據計算公式Q＝CU可以改變，用于信號放大和調節電壓大小；電容C3起“隔直通交”作用，隔斷運算放大器U1A部分自身產生的直流信號，導通傳感器并轉換后的交流信號，同時控制輸出信號的下限頻率。
??? 該電路的電壓輸出范圍設計為0～5 V，運算放大器U1B部分用于電壓偏置，并設零位基準電壓為2．5 V，可以將傳感器測得的正負加速度方向的電壓輸出保持在0～5 V內；穩壓管D1限高電壓為5．6 V，對低通濾波器MAX7410起到保護作用。
2．2 濾波電路設計
??? 由于帶寬范圍的要求，需要對信號進行濾波處理，濾除頻響范圍之外的信號和噪聲，設計中采用低通濾波器MAX7410，該濾波器帶外衰減快，保證所需帶內信號的輸出，如圖4所示。

??? 在電路中，信號從Vo輸入，經過濾波處理，從Vo’輸出；電阻R5電容分壓限流，保護濾波器MAX7410；C4用于控制帶內高頻上限并濾除高頻帶外信號。
2．3 電源電路設計
??? 測試系統由外部電源提供+28 V工作電壓，內部采用電源模塊KDY-24D1212將+28V電壓轉換成士12 V電壓兩路輸出，一路為運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
??? 試驗分別進行靜態測量和動態測量，首先，系統連接信號模擬器，放入高低溫試驗箱中，并設置環境溫度為－40℃～+50℃，測量其靜態工作輸出；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，進行實際動態測量。通過上述試驗，得到頻響曲線和實測值，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關系，可以看出，帶內不平度小于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為標準值與實測值比較，從中可以看出，各項指標均符合技術要求，線性度誤差為1．35％。

4 結束語
??? 本文介紹了基于壓電式的一種沖擊加速度測量系統，結構易于安裝，電路性能優良可靠，并成功地應用到實際測量中。依據客戶反饋的信息，傳感器完全達到了技術要求的標準，可應用于航空、航天、國防等軍品領域以及鐵路、橋梁、建筑等國民經濟領域。