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測量振動 | 壓電加速度計的特性

2022-01-19 18:06:58·  來源：BK聲學(xué)與振動  
　
壓電式加速度計普遍用于振動測量，與任何其他類型的振動傳感器相比，它具有更好的全方位特性。它具有非常寬的頻率和動態(tài)范圍，在整個范圍內(nèi)具有良好的線性度，它
壓電式加速度計普遍用于振動測量，與任何其他類型的振動傳感器相比，它具有更好的全方位特性。它具有非常寬的頻率和動態(tài)范圍，在整個范圍內(nèi)具有良好的線性度，它相對牢固和可靠，因此其特性可以在很長一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。
壓電加速度計的特性
壓電加速度計是自發(fā)電的，因此不需要電源。沒有可磨損的運動部件，且輸出與加速度成比例的信號并可積分成速度和位移信號。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適調(diào)信號。
壓電加速度計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，具有獨特的壓電效應(yīng)。當(dāng)它在張力、壓縮或剪切方面受到機械應(yīng)力時，它會在其極面上產(chǎn)生與施加的力成正比的電荷。
加速度計設(shè)計
在實際的加速度計設(shè)計中，壓電元件被布置成使得當(dāng)組件被振動時，質(zhì)量單元向壓電元件施加與所受振動加速度成正比的力。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)量對壓電元件施加壓縮力的壓縮類型和質(zhì)量對壓電元件上施加剪切力的剪切類型。
壓電式加速度計類型
大多數(shù)制造商都提供各種各樣的加速度計，如果不了解，就無法輕松做出選擇。 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，以簡化測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
CCLD/Deltatron®或者IPE加速度計
CCLD（恒流線路驅(qū)動）加速度計或IEPE（集成電子Piezo Electric）加速度計是帶有集成前置放大器的壓電式加速度計，可在電源線上以電壓調(diào)制的形式提供輸出信號。
Brüel & Kj?r的IEPE加速度計具有高輸出靈敏度、高信噪比和寬帶寬，因此適用于通用和高頻振動測量。
這些加速度計是高性能儀器，其輸出靈敏度高于標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計（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的同軸電纜用于加速度計。
許多超出通用范圍的加速度計的特性傾向于特定應(yīng)用。例如：小型加速度計，用于高級值或高頻測量，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，可在三個相互垂直的方向上同時進行測量：高溫；極低的振動水平；高沖擊；比較其他加速度計的校準(zhǔn)；以及在工業(yè)機器上進行永久監(jiān)控。
加速度計靈敏度、質(zhì)量和動態(tài)范圍
靈敏度是通?？紤]的第一個特性。理想情況下，我們希望獲得較高的輸出水平，但有一點我們必須妥協(xié)，因為高靈敏度通常需要相對較大的壓電組件，因此需要一個相對較大的質(zhì)量單元。
在正常情況下，靈敏度不是一個關(guān)鍵問題，因為現(xiàn)代前置放大器可輕松處理這些低電平信號。在輕質(zhì)物體上進行測量時，加速度計的低質(zhì)量變得非常重要。額外的質(zhì)量會顯著改變測量點的振動水平和頻率。
通常，加速度計的質(zhì)量應(yīng)不超過安裝在其上的振動部分的動態(tài)質(zhì)量的十分之一。
當(dāng)希望測量異常低或高的加速度水平時，應(yīng)考慮加速度計的動態(tài)范圍。圖中顯示的下限通常不是由加速度計直接決定的，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。
上限由加速度計的結(jié)構(gòu)強度決定。典型的通用加速度計的線性高達50000至100000m/s，這已經(jīng)上升到機械沖擊的范圍內(nèi)。專為測量機械沖擊而設(shè)計的加速度計線性可以高達1000km/s(100000g)。
加速度計頻率范圍
機械系統(tǒng)的大部分振動能量往往包含在10Hz至1000Hz之間的相對較窄的頻率范圍內(nèi)，但是測量結(jié)果通?？梢哉f是10kHz，因為在這些較高頻率下，通常會有一些有趣的振動分量。因此，在選擇加速度計時，我們必須確保加速度計的頻率范圍可以覆蓋感興趣的范圍。
實際上，在低頻端，加速度計提供真實輸出的頻率范圍受到兩個因素的限制。第一個是緊隨其后的放大器的低頻截止。這通常不是問題，因為限制通常遠低于1Hz。 第二個是環(huán)境溫度波動的影響，加速度計對此很敏感。使用現(xiàn)代剪切式加速度計，這種影響最小，允許在正常環(huán)境下測量低至1Hz以下。
上限由加速度計本身的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的諧振頻率決定。根據(jù)經(jīng)驗，如果我們將頻率上限設(shè)置為加速度計共振頻率的三分之一，我們就知道，在組件的上限頻率下測得的振動誤差不會超過+12％。
對于質(zhì)量較小的小型加速度計，諧振頻率可以高達180kHz，但是對于較大、輸出更高的通用加速度計，通用加速度計，通用加速度計的共振頻率通常為20至30kHz。
加速度計共振誤差
由于加速度計通常會在高頻端因為共振靈敏度大幅升高，因此其輸出將無法真實顯示這些高頻測量點處的振動。
在頻率分析振動信號時，人們可能以為很容易地識別由加速度計共振引起的高頻峰，因此往往忽略了它。這時，如果要獲取包括加速度計共振在內(nèi)的整體寬帶讀數(shù)，同時要測量的振動在諧振頻率周圍的區(qū)域中也有分量，則會得出不準(zhǔn)確的結(jié)果。
通過選擇頻率范圍盡可能寬的加速度計，然后使用低通濾波器（通常包含在振動計和前置放大器中）來消除由加速度計共振引起的不需要的信號，可以克服這個問題。
在測量僅限于低頻的情況下，可以使用機械濾波器消除高頻振動和加速度計共振效應(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，安裝在加速度計和安裝表面之間。它們通常會將上限頻率降低到0.5kHz至5kHz之間。


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