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压电式加速度传感器参数说明及工作原理
发布时间:2011-08-22   点击次数:12927次

                                      一,概述

RC6000系列压电式加速度传感器(下称加速度计),可广泛用于航空航天、国防军工、冶金机械、车辆运输、桥梁船舶、土木建筑、教学实验等方面的振动与冲击测量,它具有频响宽,灵敏度高、横向灵敏度小和抗外界干扰能力强的优点。加速度计由底座、质量块、敏感元件和外壳组成。加速度传感器的作用是与电荷放大器配套,真实复原被测信号。工作原理是利用压电陶瓷的压电效应而制造出的一种机电换能产品。 

二、参数说明及工作原理

 

1.电荷灵敏度

加速度计一般采用PZT压电陶瓷材料,利用晶体材料在承受一定方向的应力或形变时,其极化面会产生与应力相应的电荷,压电元件表面产生的电荷正比于作用力,因此有   

Q=dF

其中,Q为电荷量,d为压电元件的压电常数,F为作用力。

加速度计的电荷灵敏度则是加速度计输出的电荷量与其输入的加速度值之比。电荷量的单位取pC,加速度单位为m/s(1g=9.8m/s2

2.电压灵敏度

如果要换算加速度计的电压灵敏度,则可用下面公式得到

                         Sq

                   Sa =         (v/ms-2

                         Ca

Sq为电荷灵敏度,单位pC/ms-2Ca为电容量,单位pFSa电压灵敏度单位V

3.频率响应

1)谐振频率,为加速度计安装时的共振频率,随产品附有谐振频率曲线(低频传感器不附图)。

2)频率响应一般采用谐振频率的1/31/5。加速度计频响在1/3谐振频率时,频响与参考灵敏度偏差≤1dB,(误差<10%)。频响在1/5谐振频率时,频响与参考灵敏度≤ 0.5dB(误差<5%­)。

我公司传感器频响均以1/3谐振频率计算。

4.zui大横向灵敏度比

加速度计受到垂直于安装轴线的振动时,仍有信号输出,即垂直于轴线的加速度灵敏度与轴线加速度之比称横向灵敏度。

5. 电荷输出的压电式加速度计配合电荷放大器,其系统的低频响应下限主要取决于放大器的频响。

 

三、安装技术及注意事项

 

(一)安装方式

用加速度计进行测量,为使数据准确和使用方便,可使用多种方法安装,现介绍几种供选用。

1.螺钉安装

RC6000系列加速度计有M5M3安装孔及传感器自带螺栓等形式,以M5孔居多。加速度计随产品附有安装螺钉。使用螺钉安装,它的使用频率响应可近似原标定的频率响应,且称刚性安装。

螺钉安装是在允许打孔的被测物上沿振源轴线方向打孔攻丝。

2.粘接安装

在被测物体不允许钻孔时,可使用各种粘接剂,如“502”、环氧树脂胶、双面粘胶带、橡皮泥。应注意,前二种方法的使用频率接近刚性安装方法,后两种一般用于低频现场,且会使被测频率大大降低。粘接方法不适合冲击测量。

我公司经试验,“502”胶粘接强度与环氧胶相近,

3.磁座

磁座的优点是不破坏被测物体,移动方便。但是应考虑用磁座测试会使加速度计的使用频率响应有所下降(磁座在使用时要将短路片拆卸掉!),可能低于三分之一。

使用时应先在被测物上安装磁座,再拧上传感器,或者将二者轻轻吸附于被测物上。冲击状态会使传感器产生电荷积累,影响测试精度。

4.云母片/四氟膜

 云母片安装有两个作用,隔热、绝缘。对高温状态试件,可用厚度<0.1毫米的云母片垫置,其加速度计频率响应会略有降低。对试件与加速度计间的绝缘,云母与四氟是zui佳材料。

5.三向传感器为螺丝穿过通孔安装,侧端螺纹供检测或测试用

 

(二)注意事项

1.传感器的底面经研磨光洁度<3μm,用户也应对被测构件的表面打磨,提高光洁度及平整度。测试构件的安装孔要配合螺栓确定深度,安装力矩要合适,在传感器与构件结合面中,涂上一层硅脂,增加接触,且对传感器的高频响应也会有所改善

2.安装工装及保护

为适合特殊的现场,有时要自制一些加速度计安装块。

传感器如需浮置,可采取绝缘材料的安装转接块,使其与被测物绝缘,或选用绝缘型产品。在潮湿处使用,需对接线插头部位采取密封措施,以保证加速度计的绝缘良好,建议采用703硅胶涂抹。在水中使用要选用防水型产品。

工业现场在线安装可采用保护罩防护的安装形式。

3.振动测量可不必考虑加速度计极性,冲击测量时,应了解后续三次仪表是否对极性有要求。

4.用螺安装的传感器推荐安装力矩为3Nm

5.对大型超低频传感器(如KD14000L/KD12000L)螺钉安装时,用手轻拧即可。该类传感器水平任意面均可利用自重进行地脉动测试。

 

四、电   

 

连接加速度计到电荷放大器的电缆在整个测量系统中是很重要的一个环节,至少要求它在传递信号时不失真或不引入噪声。为减少噪声,必须选择低噪声电缆,建议使用本公司配给的低噪声电缆线。使用中导线不宜晃动,以免带来低频干扰

另外,高温场合应订购高温低噪声导线。

电缆与加速度计连接头抗拉力较小,应注意保护。

 

五、配套仪器

 

1.电荷输出型压电式加速度计应配合电荷放大器使用。

IC加速度计可与恒流适配器或自带恒流电源的数据采集器相配。

双电源型加速度计可配专用电源。

要使电荷输出型加速度计与具有恒流功能的数据采集器相配,应采用电荷/IC转换器。

本说明书中未列产品的使用可参照产品介绍,特殊定制产品按双方协议。

 

六、特殊传感器

 

(一)内置电路加速度计的使用

内置电路加速度计是将放大电路置于加速度计内,它分四线(正负电源)、二线(单电源也称IC)。它的基本原理、使用方法可参照压电加速度计。

一、IC内置电路加速度计

1、特点

·IC传感器为双线制,芯线是电源入和信号出,外壳是信号地。传感器可与任何具有IC输入端的适调器(具有恒流特性的适调器、放大器、采集器)相配

·供电电压DCA15V24V/2mA20mA(推荐2mA电流工作)

B24V/310mA

·输出电压5Vp 

·传感器自身在零振动时有偏置电压>7VDC,本公司的KD5200系列恒流源具有隔直流功能。

 

2、工作原理

如图,压电部分工作原理同前,虚线内为传感器部分。晶体片感受振动时产生输出电荷,在放大器A和恒流电路的共同作用下,a处有输出偏置(动态信号叠加在偏置上),信号经过适调器内的隔直电容C隔离偏置电压。

3、计算方法

加速度值的计算方法和加速度计的使用极限计算方法如下:

* 1g=9.8ms-2

4、使用注意

1)注意供电电压极性,严禁接反。

2)加速度计在装卸时,严禁带电操作,以免损坏加速度计。

3)使用前要检查连接导线,不能短路。

4)供电电压不要超过高限值的10%

5)不要超量程工作,选购与测量前要估计测试值。

6测试前,测试系统(含传感器)应通电预热15分钟。

二、双电源内置电路加速度计

1、特点

·放大倍数可调,输出零点好

·供电±15VDC,输出±10Vp

·四线制(正负电源、公共地、输出)

2、计算

参照IC计算方法3

3、使用注意

·供电电压严禁接反

·注意四线的色标和用途,正确安装。

 

(二)防水加速度传感器

KD系列防水加速度传感器采用压电原理生产,采用了独特的密封技术和特制低噪声防水导线。根据不同水深、测试要求,可提供相应产品。

该产品基本原理和使用可参照KD1000系列说明书执行,由于防水系列产品的特殊性,使用中应注意如下事项:

1、导线与传感器相连部分切勿强行折弯、拉、拌。

2、非浮地产品外壳即为信号地,适合单点测量。多点测试时地回路可能会引起地干扰,应选用浮地型产品。

3、长导线布线时,应每隔几米加支点固定,以防水流冲击 ,使导线产生晃动引入干扰。

4、运输途中应将传感器独自包装,以免长途颠振磨伤导线。

5、浮地型产品外壳为屏蔽层;多维方向浮地型传感器地线各自独立,互不干扰。浮地型导线采用双屏蔽,外层屏蔽在测试时视干扰情况采取接地选择。

6、选型时应告知传感器入水深度。本系列传感器的产品介绍给出了参考水深。  

七、现场环境与系统接地

 

现场环境与系统接地是影响测试准确的关健因素之一,特别是现场有强力磁电场(如高电压、电器起动、电机、电焊等)时,整个测试系统稍有一点疏忽将产生干扰,反映在输出端(指仪器部分)的将可能是远大于正常值的交流噪声,或是飘忽不定的信号。

保证整个测量系统只有一个接地点,是防止地回路的方法之一。如果输入信号是多通道的,就需要将加速度计和放大器对地绝缘,接地点选择在读出装置的输入端。尽量减短加速度计与电荷放大器的导线长度。

后级的电子仪器可以通过垫绝缘材料与地绝缘,输入输出导线外层不要破损,以免产生地回路。选择电荷放大器上接地/不接地开关,以使系统噪声zui低。

可特制或采用浮动型传感器,以对地绝缘。

 

八、加速度计的维护

 

加速度计是精密换能仪器,必须妥善保管。为防止跌落时产生的大冲击损坏传感器,尤其是大结构传感器(如防水型、低频高灵敏度)要特别注意!

为了保证其压电传感器的高阻抗性,要求用户使用或储存传感器时应防止水浸、水汽,尽量置干燥处,防止插座部位污染,不得自行拆开传感器。

加速度计不得超过在本说明书技术中规定的条件下使用,在重要实验前或大的冲击、振动后,建议对加速度计进行复验。

加速度计检定由国家计量授权单位负责。(一般一年检查一次)

 

 

 

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