張海倫

【摘要】壓電式加速度傳感器具有重量輕、體積小、應(yīng)用范圍廣泛等方面的特點，能夠在高溫的情況下進行測量，因而被人們廣泛地應(yīng)用到振動測量系統(tǒng)中。文章在闡述壓電式加速度傳感器原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際具體分析壓電式加速度傳感器在振動測量系統(tǒng)中的運用。

【關(guān)鍵詞】壓電式加速度傳感器;振動測量系統(tǒng);運用

各個工程在發(fā)展的過程中普遍存在不同程度的振動，嚴重的振動會影響工程發(fā)展。為此，在工程發(fā)展中需要對各類形式的振動進行測試。在一般情況下，振動測試需要從振動舒適度、振動頻率、振動強度等幾個方面人手。在壓電式加速傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展下，這類技術(shù)形式開始被人們應(yīng)用到振動測試中，有效提升了振動測試的精準度。

一、壓電式加速度傳感器原理

壓電式加速度傳感器是一種機電換能器，設(shè)計所應(yīng)用的壓電材料包含天然石英、人工極化陶瓷等。壓電式加速度傳感器在受到一定機械荷載的時候會在壓電材料的極化面出現(xiàn)電荷。在壓電晶片受力的時候，晶體兩邊會出現(xiàn)一些正負電荷。這個時候壓電晶體片在使用的過程中和一個平行板電容器類似。

二、壓電式加速度傳感器在振動測量系統(tǒng)的運用

（一）設(shè)計方案

工程以往的振動測試系統(tǒng)包含壓電加速度計、電荷放大器、動態(tài)信號分析儀器，具體如圖1所示。被測試的振動加速度信號會在傳感器的作用下傳播，電荷放大器會將信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，之后通過數(shù)據(jù)采集測試儀來進行取樣。在獲取信號之后通過計算機處理系統(tǒng)來進行實時的顯示、分析和處理。

（二）系統(tǒng)組成

1.壓電式加速度計

在測試系統(tǒng)中，壓電式加速度計的作用是將振動量轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。在具體操作的時候，加速度計要具備以下幾方面的要求：第一，具有較寬的動態(tài)范圍，能夠?qū)Ω鞣N情況的定位進行快速響應(yīng)。第二，具有較寬的頻率響應(yīng)范圍。第三，在頻率響應(yīng)范圍內(nèi)具備良好的線性度。第四，對環(huán)境干擾具有較強的靈敏度。

2.電荷放大器

在具體操作中，壓電加速度產(chǎn)生的電荷量較小，輸出的阻抗比較高，儀器輸入的阻抗對整個測量系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的影響。電荷放大器的輸出電壓由傳感器電荷靈敏度和反饋電容大小來確定，傳感器的內(nèi)部電容和連接電纜的分布電容和放大器的輸入電容對輸出電壓產(chǎn)生的影響較小。

3.動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀

動態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀器是整個振動測試系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，在本質(zhì)上是帶通信接口、程序控制的智能化儀表，能夠?qū)崿F(xiàn)對加速度信號的直接測量，同時通過相應(yīng)的控制模塊來對外控制進行輸出，在各種類型的通信接口和加速度傳感器、前置處理器、計算機上處理各類數(shù)據(jù)信息。

（三）振動壓路機振動測量

建筑工程基礎(chǔ)壓實操作會使用到振動壓路機，在具體施工操作的時候振動輪深受外界多種因素的影響，特別是壓土壤性能深刻影響振動壓路機的動態(tài)性能。在具體施工操作的時候為了能夠提升壓實效率，振動壓路機的各類參數(shù)也會跟隨被壓實土壤的性能變化來做出相應(yīng)的調(diào)整。按照振動論的系統(tǒng)管理理論，由分離加速度計、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備共同組成振動壓路機振動測量系統(tǒng)。在測量過程中數(shù)據(jù)信息采取多通道并行的方式，A/D的分辨率為12bit，最高采樣頻率為1MHz，頻率范圍在0.5Hz～6KHz范圍內(nèi)。在具體測試操作范圍內(nèi)壓實材料是礫類土，壓路機的行走速度控制為1.7km/h。在具體管理的過程中還需要對收集到的加速度信號進行功率譜分析，得到的功率譜值和理論的數(shù)值表現(xiàn)一致。振動輪系統(tǒng)的響應(yīng)參數(shù)會隨著壓實作業(yè)過程中土壤性能變化發(fā)生相應(yīng)的變化。在對土壤壓實度進行自動化檢測之后為整個土壤密實度的在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了重要支持。

（四）實驗結(jié)果分析

在傳感器應(yīng)用在中低速磁懸浮列車中被檢測的物體是懸浮軌道的下表面，材料類型是A3鋼，對傳感器的數(shù)據(jù)信息進行標定。標定之前，頻率和靈敏度會隨著位移的增加來不斷減少，整個曲線呈現(xiàn)出非線性的發(fā)展特點。在擬合操作的過程中應(yīng)用Matlab進行檢查，擬合確定的曲線和校訂曲線的最大偏差為1KHz，對應(yīng)的線性度為0.6%FS，靈敏度的最差為3KHz/mm，分頻率為0.66%FS左右。從標定的數(shù)據(jù)信息可以發(fā)現(xiàn)傳感器的使用顯示出良好的線性度。

結(jié)語

綜上所述，在具體使用操作的時候為了能解決中低速磁懸浮列車的調(diào)幅式傳感器存在的問題，設(shè)計出一種調(diào)頻電渦流傳感器。在整個系統(tǒng)設(shè)計的過程中應(yīng)用到了單片F(xiàn)PGA芯片，完成了M/T法高精準度的測量、溫度補償、RS-485通信接口轉(zhuǎn)換等功能，從而提升了整個系統(tǒng)的集成度，具有廣泛的應(yīng)用前景和空間。