壓電式加速度傳感器在振動測量系統中的運用

張海倫

【摘要】壓電式加速度傳感器具有重量輕、體積小、應用范圍廣泛等方面的特點，能夠在高溫的情況下進行測量，因而被人們廣泛地應用到振動測量系統中。文章在闡述壓電式加速度傳感器原理的基礎上，結合實際具體分析壓電式加速度傳感器在振動測量系統中的運用。

【關鍵詞】壓電式加速度傳感器;振動測量系統;運用

各個工程在發展的過程中普遍存在不同程度的振動，嚴重的振動會影響工程發展。為此，在工程發展中需要對各類形式的振動進行測試。在一般情況下，振動測試需要從振動舒適度、振動頻率、振動強度等幾個方面人手。在壓電式加速傳感器技術的不斷發展下，這類技術形式開始被人們應用到振動測試中，有效提升了振動測試的精準度。

一、壓電式加速度傳感器原理

壓電式加速度傳感器是一種機電換能器，設計所應用的壓電材料包含天然石英、人工極化陶瓷等。壓電式加速度傳感器在受到一定機械荷載的時候會在壓電材料的極化面出現電荷。在壓電晶片受力的時候，晶體兩邊會出現一些正負電荷。這個時候壓電晶體片在使用的過程中和一個平行板電容器類似。

二、壓電式加速度傳感器在振動測量系統的運用

（一）設計方案

工程以往的振動測試系統包含壓電加速度計、電荷放大器、動態信號分析儀器，具體如圖1所示。被測試的振動加速度信號會在傳感器的作用下傳播，電荷放大器會將信號轉變為電壓信號，之后通過數據采集測試儀來進行取樣。在獲取信號之后通過計算機處理系統來進行實時的顯示、分析和處理。

（二）系統組成

1.壓電式加速度計

在測試系統中，壓電式加速度計的作用是將振動量轉變為相應的電信號。在具體操作的時候，加速度計要具備以下幾方面的要求：第一，具有較寬的動態范圍，能夠對各種情況的定位進行快速響應。第二，具有較寬的頻率響應范圍。第三，在頻率響應范圍內具備良好的線性度。第四，對環境干擾具有較強的靈敏度。

2.電荷放大器

在具體操作中，壓電加速度產生的電荷量較小，輸出的阻抗比較高，儀器輸入的阻抗對整個測量系統會產生較大的影響。電荷放大器的輸出電壓由傳感器電荷靈敏度和反饋電容大小來確定，傳感器的內部電容和連接電纜的分布電容和放大器的輸入電容對輸出電壓產生的影響較小。

3.動態數據采集測試儀

動態數據采集測試儀器是整個振動測試系統的環節，在本質上是帶通信接口、程序控制的智能化儀表，能夠實現對加速度信號的直接測量，同時通過相應的控制模塊來對外控制進行輸出，在各種類型的通信接口和加速度傳感器、前置處理器、計算機上處理各類數據信息。

（三）振動壓路機振動測量

建筑工程基礎壓實操作會使用到振動壓路機，在具體施工操作的時候振動輪深受外界多種因素的影響，特別是壓土壤性能深刻影響振動壓路機的動態性能。在具體施工操作的時候為了能夠提升壓實效率，振動壓路機的各類參數也會跟隨被壓實土壤的性能變化來做出相應的調整。按照振動論的系統管理理論，由分離加速度計、電荷放大器、數據采集設備共同組成振動壓路機振動測量系統。在測量過程中數據信息采取多通道并行的方式，A/D的分辨率為12bit，最高采樣頻率為1MHz，頻率范圍在0.5Hz～6KHz范圍內。在具體測試操作范圍內壓實材料是礫類土，壓路機的行走速度控制為1.7km/h。在具體管理的過程中還需要對收集到的加速度信號進行功率譜分析，得到的功率譜值和理論的數值表現一致。振動輪系統的響應參數會隨著壓實作業過程中土壤性能變化發生相應的變化。在對土壤壓實度進行自動化檢測之后為整個土壤密實度的在線監測系統提供了重要支持。

（四）實驗結果分析

在傳感器應用在中低速磁懸浮列車中被檢測的物體是懸浮軌道的下表面，材料類型是A3鋼，對傳感器的數據信息進行標定。標定之前，頻率和靈敏度會隨著位移的增加來不斷減少，整個曲線呈現出非線性的發展特點。在擬合操作的過程中應用Matlab進行檢查，擬合確定的曲線和校訂曲線的最大偏差為1KHz，對應的線性度為0.6%FS，靈敏度的最差為3KHz/mm，分頻率為0.66%FS左右。從標定的數據信息可以發現傳感器的使用顯示出良好的線性度。

結語

綜上所述，在具體使用操作的時候為了能解決中低速磁懸浮列車的調幅式傳感器存在的問題，設計出一種調頻電渦流傳感器。在整個系統設計的過程中應用到了單片FPGA芯片，完成了M/T法高精準度的測量、溫度補償、RS-485通信接口轉換等功能，從而提升了整個系統的集成度，具有廣泛的應用前景和空間。