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      壓電式加速度傳感器參數說明及工作原理
      發布時間:2011-08-22   點擊次數:16214次

                                            一,概述

      RC6000系列壓電式加速度傳感器(下稱加速度計),可廣泛用于航空航天、國防*、冶金機械、車輛運輸、橋梁船舶、土木建筑、教學實驗等方面的振動與沖擊測量,它具有頻響寬,靈敏度高、橫向靈敏度小和抗外界干擾能力強的優點。加速度計由底座、質量塊、敏感元件和外殼組成。加速度傳感器的作用是與電荷放大器配套,真實復原被測信號。工作原理是利用壓電陶瓷的壓電效應而制造出的一種機電換能產品。 

      二、參數說明及工作原理

       

      1.電荷靈敏度

      加速度計一般采用PZT壓電陶瓷材料,利用晶體材料在承受一定方向的應力或形變時,其極化面會產生與應力相應的電荷,壓電元件表面產生的電荷正比于作用力,因此有   

      Q=dF

      其中,Q為電荷量,d為壓電元件的壓電常數,F為作用力。

      加速度計的電荷靈敏度則是加速度計輸出的電荷量與其輸入的加速度值之比。電荷量的單位取pC,加速度單位為m/s。(1g=9.8m/s2

      2.電壓靈敏度

      如果要換算加速度計的電壓靈敏度,則可用下面公式得到

                               Sq

                         Sa =         (v/ms-2

                               Ca

      Sq為電荷靈敏度,單位pC/ms-2;Ca為電容量,單位pF。Sa電壓靈敏度單位V。

      3.頻率響應

      1)諧振頻率,為加速度計安裝時的共振頻率,隨產品附有諧振頻率曲線(低頻傳感器不附圖)。

      2)頻率響應一般采用諧振頻率的1/31/5。加速度計頻響在1/3諧振頻率時,頻響與參考靈敏度偏差≤1dB,(誤差<10%)。頻響在1/5諧振頻率時,頻響與參考靈敏度≤ 0.5dB(誤差<5%­)。

      我公司傳感器頻響均以1/3諧振頻率計算。

      4.zui大橫向靈敏度比

      加速度計受到垂直于安裝軸線的振動時,仍有信號輸出,即垂直于軸線的加速度靈敏度與軸線加速度之比稱橫向靈敏度。

      5. 電荷輸出的壓電式加速度計配合電荷放大器,其系統的低頻響應下限主要取決于放大器的頻響。

       

      三、安裝技術及注意事項

       

      (一)安裝方式

      用加速度計進行測量,為使數據準確和使用方便,可使用多種方法安裝,現介紹幾種供選用。

      1.螺釘安裝

      RC6000系列加速度計有M5、M3安裝孔及傳感器自帶螺栓等形式,以M5孔居多。加速度計隨產品附有安裝螺釘。使用螺釘安裝,它的使用頻率響應可近似原標定的頻率響應,且稱剛性安裝。

      螺釘安裝是在允許打孔的被測物上沿振源軸線方向打孔攻絲。

      2.粘接安裝

      在被測物體不允許鉆孔時,可使用各種粘接劑,如“502”、環氧樹脂膠、雙面粘膠帶、橡皮泥。應注意,前二種方法的使用頻率接近剛性安裝方法,后兩種一般用于低頻現場,且會使被測頻率大大降低。粘接方法不適合沖擊測量。

      我公司經試驗,“502”膠粘接強度與環氧膠相近,

      3.磁座

      磁座的優點是不破壞被測物體,移動方便。但是應考慮用磁座測試會使加速度計的使用頻率響應有所下降(磁座在使用時要將短路片拆卸掉?。?,可能低于三分之一。

      使用時應先在被測物上安裝磁座,再擰上傳感器,或者將二者輕輕吸附于被測物上。沖擊狀態會使傳感器產生電荷積累,影響測試精度。

      4.云母片/四氟膜

       云母片安裝有兩個作用,隔熱、絕緣。對高溫狀態試件,可用厚度<0.1毫米的云母片墊置,其加速度計頻率響應會略有降低。對試件與加速度計間的絕緣,云母與四氟是*材料。

      5.三向傳感器為螺絲穿過通孔安裝,側端螺紋供檢測或測試用

       

      (二)注意事項

      1.傳感器的底面經研磨光潔度<3μm,用戶也應對被測構件的表面打磨,提高光潔度及平整度。測試構件的安裝孔要配合螺栓確定深度,安裝力矩要合適,在傳感器與構件結合面中,涂上一層硅脂,增加接觸,且對傳感器的高頻響應也會有所改善

      2.安裝工裝及保護

      為適合特殊的現場,有時要自制一些加速度計安裝塊。

      傳感器如需浮置,可采取絕緣材料的安裝轉接塊,使其與被測物絕緣,或選用絕緣型產品。在潮濕處使用,需對接線插頭部位采取密封措施,以保證加速度計的絕緣良好,建議采用703硅膠涂抹。在水中使用要選用防水型產品。

      工業現場在線安裝可采用保護罩防護的安裝形式。

      3.振動測量可不必考慮加速度計極性,沖擊測量時,應了解后續三次儀表是否對極性有要求。

      4.用螺安裝的傳感器推薦安裝力矩為3Nm。

      5.對大型超低頻傳感器(如KD14000L/KD12000L)螺釘安裝時,用手輕擰即可。該類傳感器水平任意面均可利用自重進行地脈動測試。

       

      四、電   

       

      連接加速度計到電荷放大器的電纜在整個測量系統中是很重要的一個環節,至少要求它在傳遞信號時不失真或不引入噪聲。為減少噪聲,必須選擇低噪聲電纜,建議使用本公司配給的低噪聲電纜線。使用中導線不宜晃動,以免帶來低頻干擾

      另外,高溫場合應訂購高溫低噪聲導線。

      電纜與加速度計連接頭抗拉力較小,應注意保護。

       

      五、配套儀器

       

      1.電荷輸出型壓電式加速度計應配合電荷放大器使用。

      IC加速度計可與恒流適配器或自帶恒流電源的數據采集器相配。

      雙電源型加速度計可配電源。

      要使電荷輸出型加速度計與具有恒流功能的數據采集器相配,應采用電荷/IC轉換器。

      本說明書中未列產品的使用可參照產品介紹,特殊定制產品按雙方協議。

       

      六、特殊傳感器

       

      (一)內置電路加速度計的使用

      內置電路加速度計是將放大電路置于加速度計內,它分四線(正負電源)、二線(單電源也稱IC)。它的基本原理、使用方法可參照壓電加速度計。

      一、IC內置電路加速度計

      1、特點

      ·IC傳感器為雙線制,芯線是電源入和信號出,外殼是信號地。傳感器可與任何具有IC輸入端的適調器(具有恒流特性的適調器、放大器、采集器)相配

      ·供電電壓DCA15V24V/2mA20mA(推薦2mA電流工作)

      B24V/310mA

      ·輸出電壓5Vp 

      ·傳感器自身在零振動時有偏置電壓>7VDC,本公司的KD5200系列恒流源具有隔直流功能。

       

      2、工作原理

      如圖,壓電部分工作原理同前,虛線內為傳感器部分。晶體片感受振動時產生輸出電荷,在放大器A和恒流電路的共同作用下,a處有輸出偏置(動態信號疊加在偏置上),信號經過適調器內的隔直電容C隔離偏置電壓。

      3、計算方法

      加速度值的計算方法和加速度計的使用極限計算方法如下:

      * 1g=9.8ms-2

      4、使用注意

      1)注意供電電壓極性,嚴禁接反。

      2)加速度計在裝卸時,嚴禁帶電操作,以免損壞加速度計。

      3)使用前要檢查連接導線,不能短路。

      4)供電電壓不要超過高限值的10%。

      5)不要超量程工作,選購與測量前要估計測試值。

      6測試前,測試系統(含傳感器)應通電預熱15分鐘。

      二、雙電源內置電路加速度計

      1、特點

      ·放大倍數可調,輸出零點好

      ·供電±15VDC,輸出±10Vp

      ·四線制(正負電源、公共地、輸出)

      2、計算

      參照IC計算方法3。

      3、使用注意

      ·供電電壓嚴禁接反

      ·注意四線的色標和用途,正確安裝。

       

      (二)防水加速度傳感器

      KD系列防水加速度傳感器采用壓電原理生產,采用了*的密封技術和特制低噪聲防水導線。根據不同水深、測試要求,可提供相應產品。

      該產品基本原理和使用可參照KD1000系列說明書執行,由于防水系列產品的特殊性,使用中應注意如下事項:

      1、導線與傳感器相連部分切勿強行折彎、拉、拌。

      2、非浮地產品外殼即為信號地,適合單點測量。多點測試時地回路可能會引起地干擾,應選用浮地型產品。

      3、長導線布線時,應每隔幾米加支點固定,以防水流沖擊 ,使導線產生晃動引入干擾。

      4、運輸途中應將傳感器獨自包裝,以免長途顛振磨傷導線。

      5、浮地型產品外殼為屏蔽層;多維方向浮地型傳感器地線各自獨立,互不干擾。浮地型導線采用雙屏蔽,外層屏蔽在測試時視干擾情況采取接地選擇。

      6、選型時應告知傳感器入水深度。本系列傳感器的產品介紹給出了參考水深。  

      七、現場環境與系統接地

       

      現場環境與系統接地是影響測試準確的關健因素之一,特別是現場有強力磁電場(如高電壓、電器起動、電機、電焊等)時,整個測試系統稍有一點疏忽將產生干擾,反映在輸出端(指儀器部分)的將可能是遠大于正常值的交流噪聲,或是飄忽不定的信號。

      保證整個測量系統只有一個接地點,是防止地回路的方法之一。如果輸入信號是多通道的,就需要將加速度計和放大器對地絕緣,接地點選擇在讀出裝置的輸入端。盡量減短加速度計與電荷放大器的導線長度。

      后級的電子儀器可以通過墊絕緣材料與地絕緣,輸入輸出導線外層不要破損,以免產生地回路。選擇電荷放大器上接地/不接地開關,以使系統噪聲zui低。

      可特制或采用浮動型傳感器,以對地絕緣。

       

      八、加速度計的維護

       

      加速度計是精密換能儀器,必須妥善保管。為防止跌落時產生的大沖擊損壞傳感器,尤其是大結構傳感器(如防水型、低頻高靈敏度)要特別注意!

      為了保證其壓電傳感器的高阻抗性,要求用戶使用或儲存傳感器時應防止水浸、水汽,盡量置干燥處,防止插座部位污染,不得自行拆開傳感器。

      加速度計不得超過在本說明書技術中規定的條件下使用,在重要實驗前或大的沖擊、振動后,建議對加速度計進行復驗。

      加速度計檢定由國家計量*單位負責。(一般一年檢查一次)

       

       

       

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