壓電加速度計放大器飽和問題研究

高清毅，常璐璐

（PCB 壓電傳感器技術（北京）有限公司，北京 100027）

0 引言

壓電加速度計可以測量很寬范圍的振動和沖擊，廣泛用于測量領域。其中以（傳感器）或者國際標準IEPE（其他廠家）壓電原理的傳感器內置集成微電子電路，由于其使用簡單，可以在惡劣環境中長電纜傳輸信號無衰減，因此在測試測量和工業振動監測領域得到廣泛認可；該電子電路把壓電敏感元件產生的高阻抗的電荷信號轉換為易于傳輸的低阻抗電壓信號，轉換過的信號再通過兩芯屏蔽電纜或者同軸電纜連接到數據采集系統或者數據顯示設備。

1 存在的問題

使用壓電加速度計測量振動，過量程造成內置的放大器電路飽和是一個可能發生但是又容易被忽略的問題。在完成一次測試和數據評估后，測試工程師可能觀察到采集的數據有明顯的問題。有許多因素可能影響壓電加速度計測量輸出的數據，如傳感器量程、測試輸入振幅、測試輸入頻率成分和數據采集的采樣頻率等。例如：輸入振幅大于傳感器的可用量程，將造成放大器電路飽和；輸入頻率成分如果處于或接近于傳感器的諧振頻率，也可能造成放大器飽和；諧振頻率處的高Q 因數將會導致傳感器進入過載恢復狀態，此時可能采集到無意義的數據（既使使用您的數據采集器進行后處理濾波）。放大器飽和情況下采集的典型數據如圖1 所示，圖1 中出現了指數式衰減。

圖1 振動超過傳感器量程后的測試波形

2 低通濾波電路的效果

內置單級或兩級低通濾波的傳感器將降低放大器飽和的概率，提高可用頻率范圍。低通濾波可以衰減（抑制）諧振頻率處或接近諧振頻率處產生的信號。這將抵消傳感器在機械諧振處產生的增益（高Q 品質）因子（圖2）。

圖2 頻響曲線比較（濾波器截止頻率9 kHz）

3 對比測試

本測試強調了在任何應用中，為了獲得準確數據，選擇正確的采樣率和傳感器量程的重要性。

測試使用的PCB 加速度計有兩種類型，型號分別為352C18（靈敏度10 mV/g，重2 g）和352C65（靈敏度100 mV/g，重2 g），分別安裝到一個懸臂梁的末端（圖3）。在懸臂梁的末端用力錘進行敲擊提供階躍輸入。每個加速度計輸出連接到數字示波器，采樣率為2 kHz。型號352C18 連接到第二個示波器，采樣率設置為2 MHz。

圖3 測試設置

（1）圖4 是2 s 內的輸出，顯示了352C65 信號峰值/飽和，之后指數衰減到零基線。這種類型的曲線表明，振動輸入超過了加速度計的測試量程（50g），內部放大器飽和。352C65 輸出的錯誤的峰值大約為150g 而352C18 輸出顯示真實峰值為325g。352C65 之所以產生低于實際峰值水平原因是內部放大器飽和，限制了它的最大輸出（在典型的±5.0 V 線性范圍內輸出正常）。352C18 加速度計測量出的325g-pk 在額定的量程500g 內工作正常（±5.0 V 線性輸出）。

（2）圖5 是0.1 s 內的輸出，較短的時間段內的波形用于說明當信號超過50g 量程后，352C65 的測量幅值水平與352C18的區別。型號352C65 產生的信號可能會與加速度計的不正常產生混淆，更糟糕的情況是，如果只看頻域的數據，它可能會被完全忽略。

圖4 加速度計輸出信號（2 s）

圖5 加速度計輸出信號（0.1 s）

（3）圖6 是采樣率為2 kHz，352C18 和352C65 的輸出波形；以及352C18 采樣率2 MHz 的輸出波形。2 MHz 數據顯示了金屬與金屬（力錘與剛性梁）間的碰撞產生的高頻信號。較低的2 kHz 采樣率充當了原始數據上的濾波，減弱了測量輸出的高頻成分。2 MHz 數據在超過200g 處出有峰值輸出，而在同一段內，此處2 kHz 最大輸出剛剛超過100g。

圖6 采樣頻率2 MHz 對比2 kHz

4 結論與建議

除了要保證儀器設備正常工作之外，為了獲得準確、真實的振動數據，還需要關注數采器的采樣頻率和傳感器的量程。其中，應該注意以下3 個原則：一是加速度計的量程必須足夠；二是放大器飽和時會有指數衰減到零基線的過程；三是采樣率偏低時，起到類似低通濾波的效果，可能會在時域波形上錯失真正的峰值，導致研究人員忽略放大器飽和故障。

為了解決這類問題，可以采取以下兩個措施：一是選擇量程更大的加速度計；二是選用內置電子低通濾波電路的加速度計。