0 引言
自1880年兩位法國科學家J．Curie和P．Curie在研究石英晶體時發(fā)現(xiàn)材料的壓電現(xiàn)象以后，在材料學界便引發(fā)了一場壓電材料研究熱,。經(jīng)過一百多年的發(fā)展,，壓電材料的種類已經(jīng)由最初的壓電晶體發(fā)展到壓電陶瓷、進而發(fā)展到壓電聚合物及其復合材料,。隨著物理學,、材料科學與各個學科的交叉發(fā)展，壓電材料被用以研制成了多種用途的傳感器,。目前,，常用于測量加速度的傳感器主要有壓電式傳感器和壓阻式傳感器，相對而言,，壓電式傳感器在溫漂方面性能更好,，另外壓電式傳感器具有獨特的優(yōu)點：工作頻率范圍寬(可從幾赫茲到幾百兆赫)、動態(tài)范圍大,、頻響時間快,、靈敏度高,、溫度穩(wěn)定性好(－20℃～+150℃),。
本測量系統(tǒng)正是基于上述壓電式傳感器的優(yōu)點和用戶實際的需求，提出了新的設計方案,，實現(xiàn)了頻帶寬,、靈敏度高、工作可靠和重量輕等優(yōu)點,。
1 工作原理
壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應制成的傳感器,，其中壓電效應是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變，包括彎曲和伸縮形變時,，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象,，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。如圖1所示,。
壓電晶體是人工極化陶瓷材料,，這種材料按不同的晶格方向切割做成壓電晶體片時,，具有不同的壓電效應，只對單軸向受力敏感,。敏感質(zhì)量是附加質(zhì)量塊,，它和壓電晶體構(gòu)成傳感器的敏感芯體，當質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個與加速度成正比的力,，并加載到壓電晶體上,。
系統(tǒng)工作原理如圖2所示。測量系統(tǒng)工作時,，壓電式傳感器安裝在待測物體上,，傳感器外接信號變換器。當待測物體受到?jīng)_擊產(chǎn)生加速度時,，傳感器產(chǎn)生壓電效應,，將加速度轉(zhuǎn)換為電荷量，通過高精度電荷放大器將電荷量變換為電壓量,，再經(jīng)信號調(diào)理電路處理后得到與被測加速度成比例的電壓輸出
2 變換器調(diào)理電路設計
調(diào)理電路器件主要有高精度運算放大器TL062ID,、低通濾波器MAX7410和電源模塊KDY－24D1212。
2．1 放大電路設計
高精度運算放大器TL062ID在調(diào)理電路中起信號轉(zhuǎn)換放大,、控制低頻和電壓偏置作用,，如圖3所示。
在電路中,，Vi為傳感器信號輸入,，運算放大器U1A部分將傳感器輸入的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；反饋電容C2依據(jù)計算公式Q＝CU可以改變,，用于信號放大和調(diào)節(jié)電壓大?。浑娙軨3起“隔直通交”作用,，隔斷運算放大器U1A部分自身產(chǎn)生的直流信號,，導通傳感器并轉(zhuǎn)換后的交流信號，同時控制輸出信號的下限頻率,。
該電路的電壓輸出范圍設計為0～5 V,，運算放大器U1B部分用于電壓偏置，并設零位基準電壓為2．5 V,，可以將傳感器測得的正負加速度方向的電壓輸出保持在0～5 V內(nèi),；穩(wěn)壓管D1限高電壓為5．6 V，對低通濾波器MAX7410起到保護作用,。
2．2 濾波電路設計
由于帶寬范圍的要求,，需要對信號進行濾波處理，濾除頻響范圍之外的信號和噪聲，設計中采用低通濾波器MAX7410,，該濾波器帶外衰減快,，保證所需帶內(nèi)信號的輸出，如圖4所示,。
在電路中,，信號從Vo輸入，經(jīng)過濾波處理,，從Vo’輸出,；電阻R5電容分壓限流，保護濾波器MAX7410,；C4用于控制帶內(nèi)高頻上限并濾除高頻帶外信號,。
2．3 電源電路設計
測試系統(tǒng)由外部電源提供+28 V工作電壓，內(nèi)部采用電源模塊KDY-24D1212將+28V電壓轉(zhuǎn)換成士12 V電壓兩路輸出,，一路為運算放大器提供工作電壓,，一路輸出到其它電源芯片上。
3 試驗
試驗分別進行靜態(tài)測量和動態(tài)測量,，首先,，系統(tǒng)連接信號模擬器，放入高低溫試驗箱中,，并設置環(huán)境溫度為－40℃～+50℃,，測量其靜態(tài)工作輸出；其次,，將傳感器和信號變換器安裝振動臺和馬歇特沖擊錘上,，進行實際動態(tài)測量。通過上述試驗,，得到頻響曲線和實測值,，如圖5和表1所示。
圖5中擬合曲線為衰減度和頻率的對應關(guān)系,，可以看出,，帶內(nèi)不平度小于3 dB，帶外衰減度大于－20 dB／oct,，符合加速度傳感器輸出特性,。
表1為標準值與實測值比較,，從中可以看出,，各項指標均符合技術(shù)要求，線性度誤差為1．35％,。
4 結(jié)束語
本文介紹了基于壓電式的一種沖擊加速度測量系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)易于安裝，電路性能優(yōu)良可靠，并成功地應用到實際測量中,。依據(jù)客戶反饋的信息,，傳感器完全達到了技術(shù)要求的標準，可應用于航空,、航天,、國防等軍品領域以及鐵路、橋梁,、建筑等國民經(jīng)濟領域,。