房遠(yuǎn)勇 ,張 健 ,吳 健 ,楊克辛

(1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所,北京 100076;2.北京航天長征飛行器研究所,北京 100076)

1 引言

振動(dòng)測量簡化電荷型變換器由于體積大、電路復(fù)雜等原因逐漸處于淘汰的邊緣,為了對壓電類傳感器進(jìn)行電氣測量,壓電傳感器內(nèi)置電路應(yīng)用日漸普及。壓電傳感器內(nèi)置變換電路是將壓電類傳感器電荷輸出變換為電壓輸出,減小傳感器輸出阻抗,方便后端設(shè)備電信號傳輸。壓電傳感器內(nèi)置變換電路在振動(dòng)類傳感器中應(yīng)用較為普遍。沖擊類壓電傳感器以電荷輸出為主,主要是由于外部沖擊對電路特性影響較大。壓電傳感器內(nèi)置電路在承受沖擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種異常輸出,如信號失真、輸出信號阻塞等,無法滿足使用。雖然沖擊傳感器屬于振動(dòng)類傳感器的一種,但又與普通的振動(dòng)類壓電傳感器具有較大區(qū)別。首先,沖擊傳感器測量的沖擊信號頻譜成分豐富,各個(gè)頻段信號都夾雜在沖擊信號當(dāng)中,對變換電路要求較為苛刻;其次,沖擊傳感器在承受沖擊時(shí),傳感器芯體輸出容易出現(xiàn)零漂,且造成零漂的因素眾多。通過比較兩大類壓電傳感器內(nèi)置變換電路,選擇合適的變換電路用于沖擊類壓電傳感器,最終實(shí)現(xiàn)沖擊測量[1-3]的簡化。

2 沖擊測量影響因素

多次飛行遙測數(shù)據(jù)表明,現(xiàn)有箭上高量級沖擊環(huán)境測量時(shí),存在時(shí)域信號零漂等失真現(xiàn)象,如圖1所示,無法依據(jù)其制修訂力學(xué)試驗(yàn)條件,給飛行可靠性帶來隱患。同時(shí),在總體隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件制定方面,依據(jù)傳統(tǒng)頻域處理方法得到的功率譜密度曲線制定單機(jī)試驗(yàn)條件,其量級和嚴(yán)酷度高于真實(shí)飛行環(huán)境的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,存在“過試驗(yàn)”考核,此問題存在于多個(gè)型號中。

圖1 沖擊測量中的零漂現(xiàn)象Fig.1 Zero drift in shock tests

針對箭上高量級沖擊環(huán)境測量失真及部分頻段高頻隨機(jī)試驗(yàn)條件包絡(luò)過于嚴(yán)苛的問題,有必要探索先進(jìn)的飛行振動(dòng)環(huán)境動(dòng)態(tài)效應(yīng)模擬技術(shù)來解決困擾多個(gè)型號“測不準(zhǔn)”或“過試驗(yàn)”的共性技術(shù)難題,降低單機(jī)研制難度,合理釋放總體設(shè)計(jì)余量,大幅提升總體力學(xué)條件制定的核心能力水平。同時(shí),目前箭上高量級沖擊測量均采用傳感器和變換器分開設(shè)計(jì),使得整個(gè)沖擊測量過程附加質(zhì)量過大,整個(gè)測量鏈條冗長,簡化沖擊測量過程的問題亟待解決。

在實(shí)際應(yīng)用中,零漂往往是多種因素共同作用的結(jié)果,為了降低零漂的影響,所有的因素都必須考慮到,這些因素主要有:

(1)敏感材料的過應(yīng)力。由于壓電加速度計(jì)通常在諧振時(shí)具有較大的增益,對高沖擊輸入的諧振響應(yīng)將導(dǎo)致過大的應(yīng)力,超出極限的應(yīng)力將導(dǎo)致磁疇的改變,繼而導(dǎo)致零漂。低矯頑磁力材料在經(jīng)受較大沖擊或瞬態(tài)溫度變化時(shí),磁場較易發(fā)生變化并導(dǎo)致零漂。試驗(yàn)表明:磁疇的方向?qū)㈦S著應(yīng)力、電磁場及溫度的改變而達(dá)到新的平衡。

(2)元件的物理移動(dòng)。沖擊加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)通常有兩種,如圖2 所示。圖2(a) 為壓縮型沖擊加速度計(jì),這類加速度計(jì)需要預(yù)載荷以產(chǎn)生線性輸出。當(dāng)應(yīng)力超出預(yù)壓力時(shí),慣性質(zhì)量塊與壓電晶體的連接之間將產(chǎn)生微小的移動(dòng),這種滑動(dòng)將導(dǎo)致零漂;而當(dāng)有側(cè)向沖擊力作用時(shí),這種壓縮型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)零漂的問題將更為嚴(yán)重。圖2(b)為環(huán)形剪切型的沖擊加速度計(jì),這種結(jié)構(gòu)無需預(yù)載荷,抗環(huán)境干擾(主要指瞬變溫度)能力強(qiáng),傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小。

圖2 壓電傳感器結(jié)構(gòu)類型Fig.2 Structure types of piezoelectric sensors

(3)電纜噪聲。由于高阻抗加速度計(jì)輸出的電荷信號較弱,因而容易受到干擾,而同軸電纜本身也會(huì)對零漂帶來影響,質(zhì)量較差的電纜在承受高沖擊時(shí),彎曲拉伸的靜電摩擦效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量偽噪聲。

(4)基座應(yīng)變。壓縮型的加速度計(jì)往往具有較大的基座應(yīng)變靈敏度,除了有直接的基座應(yīng)變輸出外,由于微應(yīng)變可以導(dǎo)致預(yù)載荷的改變,繼而導(dǎo)致內(nèi)部元件的移動(dòng)而產(chǎn)生一定的零漂。相比之下,壓縮型加速度計(jì)受到基座應(yīng)變的影響比剪切型更大。

(5)低頻響應(yīng)特性。零漂也可能出自電荷放大器,低頻響應(yīng)不足將導(dǎo)致無法準(zhǔn)確再現(xiàn)原始沖擊脈沖。當(dāng)時(shí)間常數(shù)RC對脈沖寬度之比減小時(shí),幅值響應(yīng)會(huì)出錯(cuò),后瞬態(tài)偏移就會(huì)很明顯[4]。這種偏移與施加的脈沖極性相反,此類型的零漂常發(fā)生在低頻信號測試中,如圖3(a)所示。

圖3 沖擊傳感器輸出異常信號Fig.3 Abnormal outputs of shock sensors

(6)信號調(diào)理電路過載,沖擊信號中可能包含高于測試系統(tǒng)(包括傳感器)頻帶的信號,這種信號將造成電荷放大器過載,且該問題隨著加速度計(jì)的諧振而更為嚴(yán)重,如圖3(b)所示。

低頻失直和信號調(diào)理過載是壓電傳感器內(nèi)置變換電路必須解決的關(guān)鍵問題。內(nèi)置變換電路設(shè)計(jì)要求在簡化測量系統(tǒng)的前提下優(yōu)化變換特性,減小電路變換特性對測量的影響。

3 沖擊傳感器內(nèi)置電荷型變換電路存在的問題

電荷型變換電路在壓電振動(dòng)傳感器中被廣泛采用。電荷型變換電路適合作為電容信號源的適調(diào)電路,而低于諧振頻率工作的壓電傳感器就是典型的電容信號源[5],FET(Field Effect Transistor,場效應(yīng)晶體管)和BJT(Bipolar Junction Transistor,全稱雙極性結(jié)型晶體管)組成的變換電路如圖4所示。

圖4 FET-BJT 電荷型變換電路的基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of FET-BJT charge conversion circuit

電荷變換電路如圖5 所示,通過調(diào)整反饋電容Cf的大小來調(diào)整壓電傳感器內(nèi)置傳感器輸出的靈敏度。i(t)為壓電傳感器輸出電荷產(chǎn)生的等效電流,Rf是壓電傳感器內(nèi)置放大電路反饋電阻,Rf=Rb·為相應(yīng)電阻。

圖5 電荷變換電路等效圖Fig.5 Equivalent diagram of charge conversion circuit

傳感器輸出范圍為±5 V,沖擊壓電傳感器電荷靈敏度約為(0.01～0.5) pC/g,反饋電容與傳感器電荷靈敏度關(guān)系如表1 所示,反饋電容取值區(qū)間約為102～103pF。

表1 反饋電容與沖擊傳感器靈敏度關(guān)系表Tab.1 Relationship between feedback capacitance and sensitivity of shock sensor

Rf和Cf決定了時(shí)間常數(shù)衰減τf的速率,增大時(shí)間常數(shù)可以對減慢電荷泄露的速率和避免測量引起的誤差起到一定的作用。通過對表1 分析可知,反饋電容直接與傳感器輸出靈敏度相關(guān),因此只能通過增大Rf保證測量準(zhǔn)確度[6,7]。

以100 000g沖擊傳感器為例,當(dāng)電荷靈敏度為0.01 pC/g時(shí),輸出電壓為0.05 mV/g,根據(jù)沖擊傳感器頻響要求5%偏差頻率范圍為10 Hz～10 kHz,要求低頻3 dB 截止頻率fL-3dB為2.5 Hz,即低頻3 dB截止頻率是5%低頻截止頻率的1/4[8]。

圖6 半正弦沖擊時(shí)域衰減波形Fig.6 Time domain wave of half sine shock

圖7 變換電路低頻特性導(dǎo)致的零漂Fig.7 Zero drift from low frequency characteristic of conversion circuit

4 沖擊傳感器內(nèi)置電壓變換電路設(shè)計(jì)

壓電傳感器內(nèi)置電壓變換電路是將壓電元件作為電壓源,將壓電元件電壓信號轉(zhuǎn)換為可供單線制輸出的電壓電信號,供后端采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用JFET(Junction Field-Effect Transistor,結(jié)型場效應(yīng)晶體管)作為關(guān)鍵元件實(shí)現(xiàn)電壓變換電路,JFET 的柵極上沒有電流流過,可認(rèn)為漏極電流id與源極電流is大小完全相等,如圖8 所示,其中,Δvi為壓電敏感芯體輸出電荷作用于自身電容后產(chǎn)生的電壓,RS為JFET 管漏極端的限流電阻。

圖8 JFET 壓控電流電路Fig.8 JFET voltage controlled current circuit

壓電傳感器輸出電荷作用于晶體自身形成電壓Δvi,電壓輸入到JFET 電路柵極端改變?chǔ)s進(jìn)而改變恒流源電壓大小,達(dá)到電壓輸出效果?；贘FET 應(yīng)用于壓電類傳感器的電壓放大電路時(shí),壓電傳感器本身可以等效于電容與電荷源并聯(lián),如圖9所示。

圖9 JFET 電壓變換電路Fig.9 JFET voltage conversion circuit

JFET 輸入電壓為Vin,是壓電傳感器產(chǎn)生電荷Q與壓電材料自身電容C的比值,即Vin=Q/C。傳感器電荷與自身電容之間的關(guān)系往往導(dǎo)致Vin大于沖擊傳感要求的電壓輸出靈敏度,如表2 所示。為了減小傳感器電壓輸入,通過壓電傳感器輸出端并聯(lián)電容Cc來縮小輸入電壓,如圖9 所示。對于常規(guī)基于JFET 電壓放大電路,需要在柵極輸入端進(jìn)行電容隔直,壓電傳感器壓電晶體片具有電容特性,因此在柵極接入端不存在直流電壓成分,省略掉隔直電容,很大程度上簡化了電路的復(fù)雜程度。

表2 壓電晶體輸出電荷與輸出電壓關(guān)系Tab.2 Relationship between output charge and output voltage of piezoelectric crystals

內(nèi)置完整電壓變換電路如圖10 所示,在保證電路正常工作狀態(tài)基礎(chǔ)上,能夠有效對傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行變換輸出,避免變換電路導(dǎo)致的沖擊傳感器輸出基線漂移。沖擊傳感器信號輸出特性與自身電容、自身電阻等物理特性相關(guān),電壓變換電路能夠很好地還原傳感器自身特性。

用FET-BJT 直接耦合原理很難在兩線制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電壓放大,所以電壓放大器實(shí)際是電壓增益Gv≤1源極跟隨器電路。第一級采用n 溝道的JFET或者p 溝道的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半場效晶體管),輸出級可以是NPN 三極管或者PNP 三極管雙極型晶體管[12,13]。

電壓放大器的增益Gv取決于電容分壓比QPE/(C1+CPE)和源極跟隨器的固有增益GSF。改變電壓放大器輸入端電容C1,調(diào)整傳感器的靈敏度,電路中C1可以為0。由R1和C1組成的輸入電路構(gòu)成低通濾波器,可用于補(bǔ)償壓電傳感器諧振形成的幅頻特性曲線在高頻段的上升趨勢,當(dāng)諧振頻率遠(yuǎn)高于加速度計(jì)工作頻帶的上限轉(zhuǎn)折頻率時(shí),電阻R1可以省略。

電阻Rb和分壓電阻R2、R1的作用同樣是直流負(fù)反饋,提供與輸出偏置電壓相關(guān)的FET 偏置電壓。通常,由于同一型號FET 的參數(shù)存在一定的離散性,同樣可以通過改變R2和R3的阻值調(diào)整每個(gè)具體電路的輸出偏置電壓。

Gv與(C1/CPE)以及GSF的關(guān)系為

GSF＜1,因此Gv＜1。實(shí)際上,如果選用輸入電容很小的FET,且C1=0,GSF≈1,則最大增益值Gvmax=1。

電壓放大器幅頻響應(yīng)特性-3dB 下限轉(zhuǎn)折頻率fL-3dB取決于電容C1+CPE和放大器的輸入電阻Rin,即

電壓放大器幅頻響應(yīng)特性-3dB 高頻上限轉(zhuǎn)折頻率fU-3dB與電阻R1和電容C1CPE/(C1+CPE)的關(guān)系為

在f≤fU-3dB的低頻范圍,幅頻響應(yīng)AR1(ω)和相頻響應(yīng)PR1(ω)分別為

在公式(8)中,Gv與公式(4)對應(yīng)的源極跟隨器或集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓放大器增益在f≥3fL-3dB的高頻范圍,電壓放大器頻率響應(yīng)表達(dá)式分別為

以100 000g沖擊傳感器為例來計(jì)算電壓變換電路具體參數(shù)。其中,QPE=0.01pC/g,CPE=110 pF,GSF=0.95,C1=80 pF,Rb=500 MΩ,R1=20 kΩ,R2=100 kΩ,R3=25 kΩ。計(jì)算傳感器電壓靈敏度S=≈0.05mV/g,根據(jù)公式(5)和(7)得出fL-3dB≈1.6 Hz,fU-3dB≈173 kHz。解算結(jié)果可知,在5%頻率偏差范圍fL-5%=4.5 Hz,fU-5%≈43.25 kHz。電壓型放大電路高頻響應(yīng)可以通過調(diào)節(jié)R1大小進(jìn)行調(diào)整,通過縮小R1,電壓變換電路高頻特性將成倍提高?；陔妷盒蛢?nèi)置變換電路的沖擊傳感器高頻響應(yīng)特性可以優(yōu)于電荷型沖擊傳感器[14]。

壓電傳感器電壓放大區(qū)變換電路如圖11 所示,變換電路特性主要取決于PE 傳感器內(nèi)部特性,電壓放大電路不存在電荷放大電路中反饋電容和反饋電阻的限制,對于沖擊類高頻輸入信號具有剛好的適應(yīng)性。壓電傳感器自身電阻約為1 012 Ω,電容約為102～103pF,電壓放大電路中k值相較于電荷放大電路下降了3 個(gè)數(shù)量級,基線偏移以相同數(shù)量級下降[15]。

圖11 電壓變換電路等效圖Fig.11 Equivalent diagram of voltage conversion circuit

電壓變換電路只對壓電傳感器電壓信號進(jìn)行放大且為同向放大電路,等效于基于運(yùn)放的同向放大電路。根據(jù)公式(9)電壓放大變換電路的放大倍數(shù)約為1,與如圖11 所示的電路電壓放大特性近似。

5 沖擊傳感器內(nèi)置電壓變換電路實(shí)現(xiàn)及性能測試

根據(jù)理論基礎(chǔ)對沖擊傳感器內(nèi)置電壓變換電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì),第一級采用n 溝道JFET,輸出級采用NPN、PNP 雙極型晶體管組合形成電路。電路實(shí)現(xiàn)如圖12(a)所示,傳感器實(shí)現(xiàn)如圖12(b)所示。由于影響傳感器性能的因素較多,圖12 所示的傳感器是在北京強(qiáng)度環(huán)境研究所研制的6176 型10 萬g沖擊傳感器改型實(shí)現(xiàn)。6176 型沖擊傳感器能夠測量10 萬g以內(nèi)沖擊型號,較大限度上抑制了零漂的形成。改型后,沖擊傳感器在性能驗(yàn)證時(shí),能夠避免傳感器特性偏差影響對內(nèi)置變換電路性能的判斷。

圖12 電壓變換電路及傳感器Fig.12 Voltage conversion circuit and shock sensor

通過傳感器與激光測振儀輸出進(jìn)行對比,獲取傳感器在使用頻段內(nèi)傳遞特性。激光與沖擊傳感器沖擊響應(yīng)譜對比,如圖13 所示,各個(gè)頻段范圍內(nèi)傳感器輸出與激光輸出在3 dB 容差線以內(nèi),并能很好地反應(yīng)衰減趨勢。測試試驗(yàn)證明內(nèi)置變換電路具有很好的頻率傳遞特性。

圖13 沖擊響應(yīng)譜對比曲線Fig.13 Comparison curve of shock response spectrum

內(nèi)置變換電路的沖擊傳感器于北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所進(jìn)行線性度標(biāo)定,如表3 所示,在50 000g范圍內(nèi)傳感器最大偏差為6.51%,線性度滿足GB/T 13823.20-2008 要求。標(biāo)定結(jié)果顯示內(nèi)置電壓變換電路符合國標(biāo)要求,能夠滿足沖擊試驗(yàn)對傳感器的線性度要求。

表3 內(nèi)置電壓變換電路傳感器靈敏度標(biāo)定結(jié)果Tab.3 Sensitivity calibration results of built-in voltage conversion circuit sensor

對內(nèi)置變換電路沖擊傳感器進(jìn)行爆炸沖擊測試,測試時(shí)域輸出如圖14 所示,沖擊量級達(dá)到60 000g以上沖擊信號未見明顯零漂現(xiàn)象,試驗(yàn)證明內(nèi)置電壓變換電路能夠響應(yīng)整個(gè)沖擊過程,未出現(xiàn)低頻失真以及信號調(diào)理過載。

圖14 內(nèi)置電壓變換沖擊傳感器時(shí)域輸出Fig.14 Time domain curve of built-in voltage conversion shock sensor

6 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)沖擊傳感器內(nèi)置變換電路時(shí),應(yīng)盡量避免電路產(chǎn)生低頻失真、信號調(diào)理過載等問題。電荷變換電路受傳感器內(nèi)部反饋電容限制,不能隨意調(diào)整,反饋電阻受內(nèi)置電路體積限制,阻值不能選取較大的阻值,電荷變換電路容易產(chǎn)生低頻失真以及信號調(diào)理過載的問題,導(dǎo)致其不適合作為沖擊傳感器內(nèi)置變換電路。電壓反饋電路是電壓變換原理,輸出靈敏度可以與壓電傳感器并聯(lián)電容的方式進(jìn)行調(diào)整,且壓電傳感器自身內(nèi)阻較高,電壓變換電路傳遞特性相對于電荷變換電路具有數(shù)量級提升。通過電路特性分析以及內(nèi)置電壓變換電路傳感器特性測試,驗(yàn)證了內(nèi)置電壓變換電路沖擊傳感器能夠滿足沖擊測試需求。