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    壓電加速度傳感器的靈敏度

    發布日期:2019-09-04 11:40    瀏覽次數:

       1、  電荷靈敏度

     在壓電體上施加力的話,將會產生電荷,表示電荷量的數值即為電荷靈敏度。從下記公式可以看出,此靈敏度不受電容負載的影響,即使改變電纜長度,靈敏度也不會有變化。通過電荷靈敏度測量振動時,需要使用電荷放大器?梢詫㈦姾煞糯笃骼斫鉃橐环N積分器,將電荷轉換為電壓。

                                            1. 電荷放大的等效電路
          1中-A 為運算放大器的放大率(負號代表輸入輸出之間的相位相反)。Cd 為壓電體的靜態電容,Cc 為電纜電容,Cf 為反饋電容,Rf 為反饋電阻,qd 為壓電體產生的電荷,qf Cf 儲存的電荷,q0表示 Cd Cc 儲存的電荷。

       此時壓電體中產生了電荷 qd。電荷 qd 形成移動電流 i,由于運算放大器的輸入電阻為無限大,使得輸入電流全部流入反饋電路中。因此壓電體產生的電荷 qd 被輸入電容 Cd+Cc以及 Cf 全部儲存起來。也就相當于 qd= q0+qf。在圖1的電路圖中,可以得出以下關系。

        這里運算放大器的開環增益 A 遠大于 1,因此可以近似為以下公式:
        從上式可以看出,電荷放大器中輸入電壓 e 通常近似為 0,由q0≒0可以得出qdqf,因此傳感器中產生的電荷為反饋電容 Cf 中儲存的電荷。上述公式表示電荷放大器的轉換率。由此得出,靈敏度不受輸入電容(Cd+Cc)的影響,僅與反饋電容相關。

         2、電壓靈敏度

       通過電壓輸出測量振動時,使用電壓增幅器(以下稱電壓放大器)。此時的等價電路如圖2

         圖中 Rin 為電壓增幅器的輸入阻抗,Cd 為傳感器本身的靜態電容,Cc 為電纜電容,qd 表示傳感器中產生的電荷。此傳感器中產生的電荷 qd 通過電流 i 和輸入阻抗 Rin 進行放電。此時電壓放大器的輸入電壓 e 可以表示為下記公式:

       如上述公式所示,電壓靈敏度受電容負荷的影響,電纜變長靈敏度則下降。所以此方法不適合延長電纜進行測量。如果需要延長電纜線,將電壓放大器作為電壓跟隨器(阻抗轉換器),在其低輸出阻抗一側延長電纜即可。 此時 Cd-Rin 之間盡量縮短接線長度,以避免靈敏度下降以及噪聲干擾等現象。

         電壓跟隨器由于電壓保持 e=e0 沒有放大,輸出電流被放大,因此從結果上看達到了電力放大的效果。因為輸出阻抗很低(數 100Ω 以下),所以可以延長電纜,不必考慮摩擦效應帶來的電纜噪聲問題?梢詫⑿⌒碗妷焊S器內置在傳感器內部,就具備了上述優勢。  

         3、靈敏度的表示方法

         在壓電型加速度傳感器中,與加速度 a0 成一次比例關系的參數是電壓 V 和電荷 Q。因此表示靈敏度就有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種方法。

       電壓靈敏度用相當于加速度 1g9.8m/s²)的輸出電壓 V,即用 V/g(實用單位:mV/g)表示。從下記公式可以得知,由于受連接電纜電容的影響,一般包含壓電體(傳感器本身)的電容和附帶電纜的電容。

         電荷靈敏度用相當于加速度 1g 的電荷 c(庫倫),即 c/g(實用單位:pc/g)表示。從下記公式可以得知,電荷靈敏度不受電容負載的影響,因此連接任意長度的電纜靈敏度仍是一定值。
       電壓靈敏度 Sv 和電荷靈敏度 SQ之間的關系,可以用下記公式來表示。
         當靜態電容為 850pF 的加速度傳感器上連接了 2m 的電纜(1m 相當于 75pF)時,壓電靈敏度為 50mV/g。此時電荷靈敏度可以用以下公式表示。
       另外,電荷靈敏度為 100pc/g 傳感器本身的靜態電容為 850pF 時,連接上 5m 電纜(1m 相當于 75pF)后,終端的電壓靈敏度為:

        4、串擾

       一般壓電型加速度傳感器中有一個軸對于加速度靈敏度最大,稱其為主軸靈敏度。當然也有特殊類型的是 2 軸、3 軸型的,通常與固定基座面相對的近乎垂直方向有一個最大靈敏度軸。由于在制作過程中會有誤差,因此最大靈敏度軸不是完全垂直于基座。

       如圖4.1中,最大靈敏度為 maxSv,其最大靈敏度軸與主軸(Z 軸)有θ °的傾斜。此時主軸靈敏度 Sv 為:

     

      另外,最大橫軸靈敏度 maxSvt 為:

     

      通常串擾是通過主敏度 Sv 與最大橫軸靈敏度 maxSvt 之比的百分率來表示的。

         
         另外,從最大橫軸靈敏度軸(X 軸)傾斜 φ 后,     
         
         本公司的傳感器的串擾全部在 5%以下(通常 1~2%以下),因此對于一般的振動測量不會產生影響。主軸靈敏度 Sv 和橫軸靈敏度 Svt 的指向性如圖 4.2 4.3。
       如果出現串擾問題,可以選擇串擾小的加速度傳感器,使傳感器的最小橫軸靈敏度軸(圖4.3 Y 軸)面向需要測量的振動體的最大橫軸振動方向,這樣可以將串擾的影響降到最低。
            

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