压电加速度传感器低频应用详解

   2024-01-04 工业品商城35
核心提示:基于低频振动加速度信号微弱且易受干扰,尤其是体积越大、频率越低的物体,这一问题更加显著。因此,在加速度传感器内置电路日益普及的当下,应优先选择电噪声较小且低频特性优秀的低阻抗电压输出压电式加速度传感器。传感器的低频截止频率 与高频截止频率相似,低频截止频率代表在预定传感器频率响应幅值误差(如±5%、±1

     基于低频振动加速度信号微弱且易受干扰,尤其是体积越大、频率越低的物体,这一问题更加显著。因此,在加速度传感器内置电路日益普及的当下,应优先选择电噪声较小且低频特性优秀的低阻抗电压输出压电式加速度传感器。

传感器的低频截止频率

      与高频截止频率相似,低频截止频率代表在预定传感器频率响应幅值误差(如±5%、±10%或±3dB)限内,传感器能正常测量的最低频率信号。误差越大,低频截止频率也就越低。因此,在比较不同传感器的低频截止频率时,需统一设定误差范围。

      低阻抗电压输出型传感器的低频特性取决于其敏感芯体及内置电路的综合电气参数。频率响应特性可用一阶高通滤波器进行模拟,从而可以直观地理解传感器的低频响应及截止频率,其时间常数完全可以确定。考虑到传感器的甚低频频率响应较为复杂,采用趋近测试法测量传感器对时间域内阶跃信号的响应,并计算得出传感器的时间常数,以此方法得出传感器的低频响应及对应截止频率。

传感器的灵敏度,低频噪声特性及动态响应范围

      为满足低频测量中小信号需求,通常需选用灵敏度较高的传感器。尽管如此,提升灵敏度也存在诸多负面影响,例如传感器的稳定性、抗过载能力、对环境干扰的敏感性等。因此,片面追求高灵敏度并不足以解决微小信号测量问题。反之,高分辨率、低噪声的传感器在实际应用中更为适用。因选配具有低电噪声特性的传感器对低频测量尤为关键。

       大部分商业化加速度计均提供分辨率或电噪声指标,用以显示其最小可测量信号。国内大部分传感器的宽带电噪声指标多为20μV,而BW-sensor则降至10μV。然而,宽带电噪声仅反映传感器的窄带噪声,并无法完全体现其在低频范围内的加速度测量分辨率。因为由于内置电路导致的低频噪声与其频率倒数成正比,即1/f噪声,在低频测量中,传感器的电噪声输出呈指数级增长。故传感器的低频电噪声与宽带电噪声存在明显差异,且频率越低,这种差异越显著。因此,在超低频测量中,传感器分辨率通常以噪声功率谱密度表示,单位为μV/Hz或μg/√Hz。BW-sensor内置电路的电噪声功率谱密度典型值为3μV/√Hz@ 10 Hz。

传感器瞬态温度响应对低频测量的影响

     基于压电陶瓷特性,压电式加速度计对温度突变量均会产生相应电荷输出。传感器的瞬态温度响应表现出其对温度变化的敏感性,这对于低频测量至关重要。低频测量信号小,而传感器环境温度变化可能产生与低频振动信号相当的误差,这两种信号在甚低频范围内难以区分,因此,在低频测量中减小环境温度变化对传感器输出的影响愈发关键。其单位为g/oC,表示瞬态温度变化一度对应的加速度输出,通过电压(电荷)输出与传感器灵敏度换算而得。

      传感器瞬态温度响应主要源于压电材料,故压电陶瓷对温度突变致电荷输出大小决定该指标优劣。BW-sensor选用综合性能最好的压电陶瓷及记忆金属制成的低频测量加速度传感器,已在国防兵器、航天及大型结构等领域历经多年验证,证明其低频输出稳定性和抗干扰能力优异。在低频实际测量中,为降低环境温度变化对传感器低频信号输出的影响,传感器外壳应尽可能采用隔热防护套。

安装基座和基座应变对测量的影响

      为满足低频测量需求,传感器使用任意安装方式通常均可满足要求。但需注意两方面问题:一是应尽可能选择绝缘基座,避免由对地回路引发的噪声影响测量信号;二是应考虑传感器安装位置的结构应变对传感器输出的影响,即传感器的应变灵敏度大小。剪切结构形式的压电加速度传感器具备良好的基座应变特性,足以满足通常低频结构测试。如结构应变过大对传感器测量信号产生影响,可通过减小传感器与被测结构接触面积来降低结构应变影响。


 
 
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