压电加速度测试系统设计概要.docx

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压电加速度测试系统设计概要

课程设计说明书

题目：

压电加速度测试系统设计

课程：

工程测试技术

院、系：

机电工程学院

学科专业：

机械设计制造及其自动化

学生：

李崧伟，刘嘉豪

学号：

***********，***********

***************

2016年6月15号

工程测试技术课程设计任务书

（2015—2016学年第2学期）

课题名称

压电加速度测试系统设计

适用专业

机械设计制造及其自动化

班级

130209

课程设计时间

2016年6月20日起2016年6月24日止

1．课题内容简介及要求

完成****测试系统总体设计及测试信号处理部分设计。

主要内容是：

（1）总体方案的确定。

仔细分析给出的系统功能与参数，拟定总体方案。

（2）传感器的选择。

根据被测量的要求合理选择传感器，根据需要进行传感器的结构设计或安装布局设计。

（3）信号调理电路设计。

根据传感器输出信号的特点对信号进行处理，将信号转换成数字信号，完成电路原理图的设计，并按要求撰写说明书。

设计扩展要求：

（1）显示电路的设计；

（2）输出控制电路的设计。

2.主要设计参数

自行选择被测量，如温度、流量、压力、液位、位移、速度、加速度、振动、重量等，给出所选择被测量的具体应用环境，给出测量范围。

3进度安排

①设计准备0.5天（包括题目讲解说明1小时）

②总体方案设计1天

③传感器的选择1天（包括传感器的结构设计或安装布局设计）

④测试电路的设计1天

⑤撰写设计说明书0.5天

⑥答辩1天

4.工作量要求

说明书字数：

0.8-1万字

图纸工作量：

传感器结构示意图或安装布局示意图1张

电路图1张

指导教师齐忠霞

2016年6月15日

1.简介

2.测试方案设计

3.测试系统组成

3.1压电加速度传感器

3.1.1组成

3.1.2工作原理

3.1.3灵敏度

3.1.4加速度传感器的选用

3.2电荷放大器

3.2.1测试电路图

3.2.2数据计算处理

3.3动态信号分析仪

4.实验测试流程

5.说明总结

6.参考文献

压电加速度测试系统设计

1.简介

现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。

所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。

它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。

振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。

压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。

压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽，结构简单，成本低，性能稳定等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。

所以在此设计了一种压电式加速度测试系统，能够满足测试0—3G的低频率加速度测试。

2.测试方案设计

系统组成：

压电加速度传感器、电荷放大器、动态信号分析仪

被测对象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器，电荷放大器将信号转换成电压信号并放大，通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的采集。

最后在PC端对实验数据进行处理并显示。

如下图所示

3.测试系统组成

3.1压电加速度传感器

3.1.1组成

由质量块、压电元件、支座以及引线组成

如下图所示

3.1.2工作原理

压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件，是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。

这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。

当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（电压）。

当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比。

电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷（电压）大小，从而得出物体的加速度。

压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向（z方向）。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。

设质量块作用于压电元件的力为F上，支座作用于压电元件的力为F下，则有

F=Ma

（1）

F===（M+m）a

（2）

式中M为质量块质量；m为晶片质量；a为物体振动加速度。

由式

（1）、

（2）可得晶片中厚度方向（z方向）任一截面上的力为

F=Ma+ma（1一z／d）（3）

式中d为晶片厚度。

则平均力为

因晶片为压电陶瓷，极化方向在厚度方向（z方向），作用力沿着方向，故此时外加应力只有T3，不等于零，其平均值为

式中A为晶片电极面面积。

选用D型压电常数矩阵，得电荷

C式中

为压电常数。

由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成，而晶片很薄，即有M》m，故式（6）通常写为

由式（7）可知，压电元件的Q和

、M成正比，根据测量电荷量就可得到加速度。

3.1.3灵敏度

灵敏度是指其输出电量与所承受的振动（或冲击）加速度的比值。

它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。

公式推导：

设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向（z方向），作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为：

Q=d33Ma

M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片厚度,A为晶片电极面面积

a=g（重力加速度）时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。

上式为灵敏度的电荷表示法。

灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为

式中,Cd为晶片的低频电容（自由电容）

所以

取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生的开路电压,单位记为V/g。

3.1.4加速器传感器的选用

1.工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。

由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。

常用单位为：

米/秒2 （m/s2），或重力加速度（g）。

  描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。

绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。

对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。

  最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。

压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。

2.传感器的种类选择 

  ·压电式- 原理和特点 

  压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。

敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。

虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。

与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

    ·压阻式 

  应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。

现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。

在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。

同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。

超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。

需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。

压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。

在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。

   ·电容式 

  电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。

当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。

电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。

在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。

3.压电式传感器的敏感芯体材料和结构形式 ·压电材料 

  压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。

在压电型加速度计的最常用的压电晶体为石英，其特点为工作温度范围宽，性能稳定，因此在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。

由于石英的压电系数比其他压电材料低得多，因此对通用型压电加速度计而言更为常用的压电材料为压电陶瓷。

压电陶瓷中锆钛酸铅（PZT）是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。

其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小。

必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。

这种现象可以通过典型的国产传感器和进口传感器的比较得以反映，国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。

 4.传感器敏感芯体的结构形式 

  压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。

压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。

根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：

１）压缩形式– 压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。

压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。

其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。

而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。

２）剪切形式– 通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。

从理论上分析在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此剪切结构形式成为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。

然而在实际制造过程中，确保剪切敏感芯体的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造中工艺中最为困难的一个环节。

北智BW-Sensor 采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。

３）弯曲变形梁形式- 压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。

弯曲变形梁结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极容易产生的信号漂移，所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。

5.压电式加速度传感器的信号输出形式 

  ·电荷输出型  

  传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。

实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。

由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。

由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。

北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC 范围内长期使用。

    ·低阻抗电压输出型（IEPE） 

  IEPE 型压电加速度计即通常所称的ICP 型压电加速度计。

压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。

IEPE 型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电；直流供电和信号使用同一根线。

通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。

IEPE 型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE 传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。

在振动测试中IEPE 传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

6.传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择  

  压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。

虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。

作为选用振动传感器的一般原则：

正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。

a.被测振动量的大小  b.被测振动信号的频率范围  c.振动测试现场环境  

以下将针对上述三个方面并参照传感器的相关技术指标对具体的选用作进一步地讨论 

  1）传感器的灵敏度与量程范围 

  传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。

灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。

不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。

大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm, 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2（0.004g）；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2 （40000g）。

因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。

最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（IEPE 型）为50~100 mV/g，电荷输出型为10 ~ 50 pC/g。

  加速度值传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。

通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。

作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。

   IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般都为±5V。

通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。

需要指出的是IEPE压电传感器的量程除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和传感器偏置电压的制约。

当供电电压与偏置电压的差值小于传感器技术指标给出的量程电压时，传感器的最大输出信号就会发生畸变。

因此IEPE 型加速度传感器的偏置电压稳定与否不仅影响到低频测量也可能会使信号失真；这种现象在高低温测量时需要特别注意，当传感器的内置电路在非室温条件下不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号忽大忽小。

  而电荷输出型测量范围则受传感器机械刚度的制约，在同样的条件下传感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比IEPE型传感器的量程大得多，其值大多需通过实验来确定。

一般情况下当传感器灵敏度高，其敏感芯体的质量块也就较大，传感器的量程就相对较小。

同时因质量块较大其谐振频率就偏低这样就较容易激发传感器敏感芯体的谐振信号，结果使谐振波叠加在被测信号上造成信号失真输出。

因此在最大测量范围选择时，也要考虑被测信号频率组成以及传感器本身的自振谐振频率，避免传感器的谐振分量产生。

同时在量程上应有足够的安全空间以保证信号不产生失真。

  加速度传感器灵敏度的标定方法通常采用比较法检定，被校传感器在特定频率（通常为159 Hz 或80 Hz）振动的输出与标准传感器读得加速度值的比即为传感器灵敏度。

而对冲击传感器的灵敏度则通过测量被校传感器对一系列不同冲击加速度值的输出响应，获得传感器在其测量范围内输入冲击加速度值和电输出之间的对应关系，再通过数值计算获得与各点之间差值最小的直线，而这直线的斜率即是传感器的冲击灵敏度。

  冲击传感器的非线性误差可以有两种方法表示：

全量程偏差或按分段量程的线性误差。

前者是指传感器的全量程输出为基准的误差百分数，即无论测量值得大小其误差均为按全量程百分数计算而得的误差值。

按分段量程的线性误差其计算方法与全量程偏差相同，但基准不用全量程而是以分段量程来计算误差值。

例如量程为20000g 的传感器，如全量程偏差为1% ，其线性误差在全量程内为200g；但当传感器按分段量程5000g ，10000g ，20000g 来衡量其线性误差，其误差仍为1% 时，则传感器在不同的3个量程段内线性误差则分别为50g ，100g ，200g。

  2）传感器的测量频率范围 

  传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内（±5%, ±10%, ±3dB）传感器所能测量的频率范围。

频率范围的高，低限分别称为高，低频截至频率。

截至频率与误差直接相关，所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。

作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。

高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。

（1） 传感器的高频测量范围  

  传感器的高频测量指标通常由高频截止频率来确定，而一定截止频率与对应的幅值误差相联系；所以传感器选用时不能只看截至频率，必须了解对应的幅值误差值。

传感器的频率幅值误差小不仅是测量精度提高，更重要的是体现了传感器制造过程中控制安装精度偏差地能力。

另外由于测量对象的振动信号频率带较宽，或传感器的固有谐振频率不够高，因而被激发的谐振信号波可能会叠加在测量频带内的信号上，造成较大的测量误差。

所以在选择传感器的高频测量范围时除高频截至频率外，还应考虑谐振频率对测量信号的影响；当然这种测量频段外的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消除。

  一般情况下传感器的高频截止频率与输出信号的形式（即电荷型或低阻电压型）无关；而与传感器的结构设计，制造以及安装形式和安装质量都密切相关。

以下表格是对不同型式加速度传感器的高频响应作一个定性的归类，供用户在选用时对比和参考。

当传感器和恒流电压源交流耦合的低频截至频率相当时，测量系统的低频特性是由传感器和恒流电压源的各自低频响应组合而成，此时测量系统的低频截止频率要高于传感器或恒流电压源各自的低频截止频率。

理想的测量系统传感器应配用带直流平衡的恒流电压源，这样系统的低频响应将完全取决于传感器的低频截至频率。

  当传感器用于甚低频测量时，能否准确测量低频信号并不完全决定与系统的低频响应特性，系统的低频电噪声大小也将直接影响低频信号的测量。

另外传感器的瞬态温度响应大小也将直接影响传感器的低频测量。

7.传感器的整体封装设计与电缆 

（1）传感器的封装形式 

  压电式传感器的工作原理是利用敏感芯体的压电效应，而压电材料产生的是高阻抗的电荷信号。

传感器敏感芯体的绝缘阻抗与传感器的低频测量截止频率存在着相互对应的关系。

为了保证传感器的低频响应，传感器壳体封装设计应使敏感芯体与外界隔绝，以防止压电陶瓷受到任何污染而导致其绝缘阻抗下降。

敏感芯体绝缘阻抗下降对传感器性能造成的直接影响表现为低频响应变差，严重时还将造成传感器灵敏度改变。

为保证传感器的密封特性，大多传感器的封装采用激光焊接。

同时在当今密封材料品种多样，性能日益完善的情况下，针对不同的使用环境，采用合适的密封材料替代激光焊接也能达到传感器密封的要求。

但必须指出不同的密封材料效果差异很大。

北智公司采用国外知名品牌的密封材料并经过通过了多年的环境厉行试验验证。

  在工业现场测试现场，为防止电磁场对传感器信号的影响，对用于工业现场的在线监测传感器往往要求传感器采用双重屏蔽壳封装形式。

双层屏蔽结构的传感器输出接头一般采用双芯工业接头或联体电缆输出形式。

由于双层屏蔽壳的结构特点和双芯输出电缆，传感器的高频特性一般将受到较大的制约，因此如果用户必须选用双层屏蔽型传感器进行高频振动信号测量，应谨慎考虑。

   ·传感器输出接头形式 

  M5 （M6） 接头是加速度传感器最为常用的输出接头形式。

M5接头特点是尺寸较小，一般配用直径较细的电缆 （2mm 或 3mm ），比较适合振动实验的测试。

另外M5 （M6） 的结构型式对信号屏蔽较好，所以对电荷输出型加速度传感器因其输出为较容易受干扰的高阻抗信号一般均采用M5 （M6） 接头。

测量振动的加速度传感器接头一般避免使用Q9 （BNC）, 原因是Q9 （BNC）,接头组件没有螺纹联接，构件之间的机械耦合刚度较低；因此如果加速度传感器输出采用Q9（BNC）,，其将会影响传感器的高频响应。

  用于工业环境下的振动测量加速度传感器按可分为巡回检测和在线监测，前者一般采用单层壳屏蔽型式，因此传感器的接头较多使用M6 或TNC接头。

而在线监测因经常采用双层屏蔽的结构型式，与其对应的电缆为双芯屏蔽电缆，所以双芯工业接头如M12, M16 以及C5015均被广泛使用。

另外连体电缆具有较高的可靠性，因此在工业环境下使用的传感器无论是单层和双层屏蔽的结构都广泛采用连体电缆为输出接头的形式。

需要指出的是无论是那一种输出接头对水下测量都有其局限性，即使传感器本身密封性能达到要求，但电缆联接一般都需要做特殊处理后才能用于水下测量。

   ·

（2）电缆的选择  

  对输出为高阻抗信号的电荷型压电型传感器而言，为保证测量信号不受因电缆移动而造成噪声的影响，传感器的输出信号电缆一般都采用低噪声电缆。

而输根据不同敏感芯体结构和材料特性的组合，压缩型结构在理论上便存在横向输出，需要通过装配调节的方式给予抵消，而在实际制造过程中很难实现真正的抵消，因此压缩型加速度传感器的横向灵敏度的离散度很大。

与压缩型相比剪切型设计在理论上不存在横向输出，传感器的实际横向输出一般是由材料加工和装配精度所引起的误差。

所以从这两种敏感芯体的实际对比结果来看，剪切型压电加速度传感器的横向灵敏度普遍优于压缩型式。

而敏感芯体为弯曲梁结构形式的横向灵敏度一般说介于剪切型和压缩型之间。

根据敏感芯体的结构特性，在其受横向振动时与垂直方向振动一样，也有相应的结构频率响应。

所以横向振动也同样可能在某一频率点产生谐振，以至产生较大的横向振动偏差。

   ·温度对传感器输出的影响 

  温度改