加速度测试系统设计

机械工程测试技术基础目录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3.2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质量块压电元件支座输出引线态；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=d33MaM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。3.2电荷放大器由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为式中A为晶片电极面面积；为压电材料的相对介电常数；为真空介电常数。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。(2)放大传感器输出的微弱信号。本设计中前置放大器采用电荷放大器。压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容C放大器的输入电阻、输入电容及压电传感器的泄漏电阻R，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如下所示。3.2.1测试电路图3.2.2数据计算处理图中，A为运算放大器增益。由于运算放大器的，Ri极高，而所以可认为和是开路的。设运算放大器输入电压为输出电压为根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为由此可知，在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化这是电荷放大器的突出优点。3.3动态信号分析仪动态数据采集测试仪是振动测试系统最重要的一环。其实质是一种带通讯接口和程序控制的多功能智能仪器，具有内置调理作用，可直接对加速度信号进行测量。4.实验测试流程该系统的采集方式为多通道并行；A/D分辨率为12bit；最高采样频率为1MHz；频率范围为0.5Hz—6kHz；低通滤波器的衰减斜率为-12dB/OCT；加速度的测量范围为0—50m/s^2(满足测试要求)。5.说明总结压电加速度传感器是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现加速度测量。压电加速度测量系统的优点是通频带宽，量程大，体积小，质量轻，结构简单；且系统中增加了温度补偿，解决了普通压电加速度传感器受温度影响大的缺点，提高了它的性能和可靠性，可广泛应用于各种动态力、机械冲击与振动等测量领域，具有良好的开发前景与应用价值。6.参考文献（1）黄长艺，卢文祥，熊诗波.机械工程测试与实验技术.北京：机械工业出版社，2000.（2）黄长艺，卢文祥.机械工程测试技术基础.北京：机械工业出版社.1995（3）孙传友，孙晓斌.感测技术基础.北京：电子工业出版社，2001（4）秦树人.机械工程测试原理与技术.重庆：重庆大学出版社，2002.