ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计2

第二章 ICP加速度传感器简介

2.1 压电式加速度传感器的结构与原理

2.1.1 压电式加速度传感器结构

压电式传感器是由压电效应制作，其机构原理图如图2.1所示，它是一种机电转换式与自发电式的传感器。它的感应器件是采用压电材料制成的。当压电材料受到力作用之后表面会产生一定量的电荷。电荷通过电荷放大器放大、测量电路放大和变换阻抗后就成为与所受外力成正比的电量输出。它的优点是信噪比很高、灵敏度高、频带较宽、重量较轻、结构简单、和工作性能可靠等。缺点则是某些压电材料需要良好的防水防潮防有害气体措施，而直流输出响应比较差，这就需要采用电荷放大器来克服这一条件，在缺少电荷放大器的情况下，也可以采用具有高输入阻抗的电路来满足要求。

图2.1压电式传感器结构原理图

2.1.2 典型的电荷放大系统

除了在上面已经提到了压电式传感器的特点和优点外，它也有自己的缺点，那就是某些压电材料需要良好的防潮措施，而且输出的直流响应差，所以一般都需要配套的放大器电路，图2.2为典型的电荷放大测试系统。

图2.2 典型电荷放大测试系统

在冲击与振动测试中应用最为广泛的就是压电式加速度传感器，但由于其压敏元件具有非常高的阻抗，而且它产生的是微弱的电荷信号，因此需要将传感器产生的高阻抗的输出信号通过一个前置放大器转换成低阻抗的信号。

常用的前置放大器可以分为电荷放大器和电压放大器两种。虽然电缆分布电容对电荷放大器的干扰不大，灵敏度不会受到太大影响，但是由于当弯曲或者振动电缆时，屏蔽层与绝缘体会因为存在相对移动造成摩擦，产生静电荷，从而产生电缆噪声，同样的道理，电缆芯线与绝缘体也会因此而对测试产生干扰。结构简单的电压放大器尽管，稳定性和线性度良好，电缆分布电容的存在会干扰电荷放大器，从而影响到灵敏度。这些情况都会给测试工作带来较大麻烦，由此ICP传感器应运而生[21]。

2.1.3 ICP传感器测试系统

ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）传感器本质就是内置了集成电路电荷放大器的压电传感器。与前面所讲的外部连接前置放大器的压电传感器相对比，它弥补了上述的不足。具有代表性的ICP传感器测试系统通过恒流源供电，并且信号输出线路直接与供电电缆相连接，输出的信号为低阻抗形式的信号。整个测试系统包括ICP加速度传感器，普通的双芯电缆和一个能够为传感器连续供电的电源模块。恒流源模块为ICP传感器供电，并从中读取振动信号，典型的ICP测试系统如图2.3所示：

图2.3典型的ICP测试系统

2.2 ICP传感器的选型

ICP加速度传感器有很多型号，每种型号都有自己适用的某种特定用途。为了使测试数据准确度更高，我们需要基于测试系统的适用要求，选择最合适的ICP传感器。一般来讲，重量，灵敏度和频率响应是选择ICP加速度传感器最主要的参考因素。

2.2.1 重量

传感器自身有质量，附加在被测物体上，自然会影响其运动状态。而如果ICP传感器的质量比较大，或者是被测物体的质量比较小，是传感器接近于被测物体的动态质量，那么被测物体的振动就会由于受到干扰而有所减弱。对于有些被测物体，可能整体质量非常大，但在安装ICP加速度传感器的部位，典型的比如一些薄壁结构，传感器的质量已经与结构的局部质量在一个数量级或者非常接近，这样传感器将会使局部运动状态受到干扰和影响。因此，在工程实际中，传感器的质量ma需要远小于被测装置传感器安装点的运动质量m。

因为受到传感器质量的干扰，被测装置的振动加速度a会有所减小，其减小的加速度△a可以使用下式进行粗略计算:

△a =a[1-m/(ma+m)]……………………………………………………(式2.1)

2.2.2 灵敏度

系统的信噪比、分辨率和抗干扰能力是与传感器的灵敏度成正比的。就特定功能的传感器来讲，灵敏度与传感器的重量成正比，与谐振频率和量程成反比。因此灵敏度的选择主要考虑这三个方面，即重量、量程和频率响应。此外，在满足这三方面的要求下，我们还要考虑传感器的灵敏度，当然越高越好，这样有利于提高系统的信噪比。

2.2.3 频率响应特性

高频响应特性：ICP传感器使用手册给出的上限截止频率为+10%频响，粗略计算为安装谐振频率的1/3。在要求上限截止频率误差为+5%的情况下，大概为安装谐振频率的1/5。如果设置适当的校正系数，则在更高的频率范围内依然能够获取非常可靠的检测数据。

低频响应特性：ICP传感器使用手册给出的下限截止频率为-10%频响。基座应变、内置IC放大电路芯片的下限截止频率和热释电效应等环境特性决定ICP传感器的低频响应特性。应变片式ICP传感器能够响应静态信号。

2.3 ICP传感器输出信号的分析

ICP传感器是由恒流源芯片供电，LM334芯片我们选中12V直流电对其供电，如图2.4所示：

图2.4 传感器接线

图2.4中，JP1和JP2处就可以接传感器和引出传感器的信号（ICP传感器有两根引线，它们即是给传感器供电的线，同时也是传感器信号的引出线），若还没接上传感器根据前面对于恒流源电路的分析，那么在JP1和JP2处可以用电流表检测到4mA的电流，如果没有检测到，或者是不为4mA，那么这个恒流源的电路就没有搭建好。对我们搭建好的电路进行检测，电流表的示数为4mA，证明我们所搭建的电路是正确的。查阅资料得知，这个时候JP1和JP2之间的电压应该为11V~12V之间，对我们的电路测一下，为11.5V，这是一个很重要的电

压，对于我们后续传感器信号的识别是非常关键的。

再接上我们的ICP传感器，将其接在JP1处，JP2作为我们信号的输出引线段，接在示波器上观察，开启我们的振动试验平台，调节我们的示波器选着交流耦合方式（也就是滤掉直流分量，只检测交流分量），观察示波器同样得到了一个正弦信号，信号的频率和我们振动实验平台的激振频率一样。说明我们所设计的恒流源能够使我们的ICP传感器正常工作。再调节示波器选择直流耦合（既测直流信号又测交流信号）观察示波器发现，和有一个直流分量存在。查阅资料上面说ICP传感器输出的信号不是基于0V的一个信号输出而是带有9V左右的直流分量的，用电压表测JP2两端的电压，测得一个9V的电压。传感器没有检测信号，只要接在了恒流源上面就会产生这样的一个信号。示波器上观察到如图2.5所示：

图2.5 ICP传感器传输信号