技術與應用
發布日期：2019-11-13 13:20 瀏覽次數：次
1、 固有共振頻率
壓電型加速度傳感器基本上由質量塊m、彈性常數k的壓電體、空氣阻抗等的阻尼器D以及基座構成的。
現在我們假設沒有阻尼器 D和外力的情況，如圖 1（a）此時的共振頻率為：
mb:基座的質量上式中 fn 是彈性質量系（質量塊 m）的共振頻率，用以下公式表示。
圖 1（b）中，當基座固定在質量無限大的物體上時，mb遠大于m，f0約等于fn。
我們將 fn 稱為不衰減固有共振頻率。
接下來我們假設有衰減的情況，實際上自由振動不可能一直進行，一定會受到某些衰減
并隨時間變弱。
衰減狀態由衰減比h的大小決定，分為3種狀態。另外衰減比 h 是衰減系數 D
比上臨界衰減系數 Dc，即 D/Dc 得出。
由此我們可以得知，包絡線會隨時間以指數函數減少。此時將 fd 作為共振頻率的話，
fd 就稱作衰減固有共振頻率。
h≥1 時，則 fd=0。變為失去振動性的無周期運動。從振動測量精度上來看，自由衰減振動需要盡可能快得使其衰減，但衰減比h并不是越大越好。這一點可從圖上記公式中得知。
衰減比 h 的大小也受到諧振銳度即 Qm 值的影響。h 越小 Qm 就越大，形成尖銳的共振。 其關系由下記公式來表示。
在設計壓電型加速度傳感器時，會盡可能使 h 值小，Qm 值大，形成尖銳共振后，擴大 平坦的頻率范圍。
2、 電荷增幅中的低頻截止頻率
上述已經提到，電荷放大器中傳感器產生的電荷全部儲存在反饋電容 Cf 中。
因此低頻特性與輸入電路中的時間常數（電纜電容 Cc、傳感器電容 Cd 等）沒有關系， 而是由反饋電路的時間常數 Cf・Rf 決定。即低頻截止頻率 fc 為：
由于一般情況下Rf會選定10MΩ 以上的高阻抗值，比 Cf 的電感器大很多，因此實際上 fc 的值主要由 Cf 的值來決定。Cf 值越大 fc 就越小，適合低頻的振動測量。但是這也有一定限度，從之前公式可以看出，Cf 值非常大時電荷—電壓的轉換率下降造成靈敏度下降，導致 S/N 比的惡化。一般情況下，大多選擇 1000pF 左右。
3、 電壓增幅中的低頻截止頻率
將壓電型加速度傳感器連接到電壓放大器上的等價電路如圖3所示。
在低頻截止頻率 fc 中，因為丨 Vin/V 丨=1/√2，因此將上記公式的分母
1+w²Rin²（Cd+Cc）²=2，得到：
則 fc 為：
從上記公式中可以得知，電壓增幅中的低頻截止頻率是由傳感器到電壓放大器的輸入電路 的時間常數決定的。因此，選擇 Cd 大的加速度傳感器 fc 降低，適合低頻振動測量。另外， 電纜電容 Cc 變大后，fc 會降低，這一點可從之前公式得知。若 Cc 值變大時靈敏度會下降，導致 S/N 比惡化。使 Rin 值增大時效果比較明顯，電壓放大器的輸入阻抗越大越有利。
4、 接觸共振頻率和高頻特性
將加速度傳感器安裝在振動體上，形成了一個振動系，也就隨即產生了這個振動系的固有共振頻率。我們稱之為接觸共振頻率。
接觸共振頻率根據加速度傳感器的基座與振動體表面的固定方法以及接觸狀態，會發生很多變化。
（4.4.1）
上圖是在加速度傳感器（P51）的表面涂抹上硅油用足夠的扭矩（50kg-cm）通過螺絲固 定后的接觸共振頻率。
這個是加速度傳感器在理想的固定狀態下的頻率特性，可以將傳感器的性能發揮到最大限度。此時的 fr 與之前所說的固有共振頻率 fn 非常接近。型錄的共振頻率記錄了 fr 值。
在現場實際使用時，需要盡量使固定面平坦，通過在接觸面填充油脂膏盡量使其接近理想的固定狀態。但是實際測量中不一定能達到上述固定狀態。有的被測物上無法直接安裝分接頭，這時就需要使用各種附加零件來進行固定。
下圖為各種固定方法的接觸共振頻率的代表案例。
通過螺絲固定加速度傳感器的方法是最為普遍的，設計傳感器時也將此方法作為前提考 慮進去。因此在實際使用時盡可能得使用螺絲固定的方法。
安裝扭矩一定時，其接觸面的硅油涂抹效果如圖5所示。無硅油的情況 fr 為 22kHz， 涂抹硅油后上升到 32kHz。平坦的頻率范圍也隨之擴大了，這對于振動測量非常有利。
雖然這只是一個例子，大部分情況下涂抹硅油后都可以使平坦頻率范圍擴大。原因在于 硅油將接觸面的凹凸處填平，使得接觸面積 S增大，提高了接觸剛性從而獲 得良好效果。而且安裝扭矩大小造成的共振點的變化變少，可以實現再現性好的穩定的測量。
像一些無法通過螺絲固定的狹窄空間、沒有足夠的接觸面積的狹窄管道等的振動測量就 適合使用探觸棒。圖6是將 100mm 長的不銹鋼探觸棒安裝在 P51 上面測得的頻率特性， 共振點在 2kHz 左右�？梢詼y量的頻率范圍在 1kHz 以下，因此比較適合低頻振動測量。
關于共振點以上的頻率，如果決定了加速度傳感器的種類以及與探觸棒組合的方式，可 以通過再現性的頻率特性曲線看出傾向，與帶通濾波器、平衡器組合，也可實現對高頻振動 的測量。
被測物體是金屬材料的話可以通過磁鐵支架來固定。只是這種方法多應用在預測量的簡 易固定時使用。
圖7 就是使用磁鐵支架固定時的頻率特性，此時硅油的效果也展現出來。安裝表面狀態良好的情況下，通過涂抹硅油可以近似螺絲固定的效果，獲得很廣的平坦頻率范圍。
振動以及頻率比較低的情況下，可以采取雙面膠固定方法。雙面膠本來是用容易吸收振 動的材料制成的，所以一般情況下不適用于振動測量。但是如果是振動頻率低而且振幅小的 情況，或固定重量輕的加速度傳感器時，作為臨時測量還是很方便的方法。
圖8是使用了市面上的各種雙面膠固定后的頻率特性。使用紙質雙面膠時(③)，黏貼條件良好的話，測量范圍可以達到 10kHz 左右。（P51 的情況下）
5、 靈敏度和共振頻率
一般來說，壓電型加速度傳感器（其他種類振動傳感器也同樣）使用同一個壓電體時，靈敏度高則固有共振頻率就低，固有共振頻率高則靈敏度就低。這是因為所使用的壓電體的 壓電系數（d33）是一定的，靈敏度主要是根據質量塊的重量來定。這一點可以從之前公式 得出。經換算，fn 和 V 的表達公式如下所示。
圖9 是不同靈敏度的加速度傳感器的頻率特性。
（P52S:500mV/g、P51：50mV/g、 P11:10mV/g）
鵬翔新聞
