加速度测试系统设计

机械工程测试技术基础

目录

1.简介

2.测试方案设计

3.测试系统组成

3.1压电加速度传感器

3.1.1组成

3.1.2工作原理

3.1.3灵敏度

3.2电荷放大器

3.2.1测试电路图

3.2.2数据计算处理

3.3动态信号分析仪

4.实验测试流程

5.说明总结

6.参考文献

压电加速度测试系统

1.简介

现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。

压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽，结构简单，成本低，性能稳定等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。

所以在此设计了一种压电式加速度测试系统，能够满足测试0—3G的低频率加速度测试。

2.测试方案设计

系统组成：压电加速度传感器、电荷放大器、动态信号分析仪

被测对象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器，电荷放大器将信号转换成电压信号并放大，通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的采集。

最后在PC 端对实验数据进行处理并显示。

如下图所示

3.测试系统组成

3.1压电加速度传感器

3.1.1组成

由质量块、压电元件、支座以及引线组成

如下图所示

3.1.2工作原理

压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件，是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象 ，同时在它的两个相对的表面上便

产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状质压电

元件支座输出引线

态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷( 电压) 。

当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷( 电压) 与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷( 电压) 大小，从而得出物体的加速度。压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向(z方向) 。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。设质量块作用于压电元件的力为F上，支座作用于压电元件的力为F下，则有

F =Ma ( 1 )

F = = = ( M + m ) a ( 2 )

式中M为质量块质量；m为晶片质量；a为物体振动加速度。

由式( 1 ) 、( 2 ) 可得晶片中厚度方向( z方向)任一截面上的力为

F=Ma +ma (1一z／d) ( 3 )

式中d为晶片厚度。则平均力为

因晶片为压电陶瓷，极化方向在厚度方向( z方向) ，作用力沿着方向，故此时外加应力只有T 3，不等于零，其平均值为

式中A为晶片电极面面积。

选用D型压电常数矩阵，得电荷

C式中为压电常数。由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成，而晶片很薄，即有M》m，故式( 6 ) 通常写为

由式(7)可知，压电元件的Q和、M 成正比，根据测量电荷量就可得到加速度。

3.1.3灵敏度

灵敏度是指其输出电量与所承受的振动（或冲击）加速度的比值。它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。

公式推导：设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为：Q=d33Ma

M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片厚度,A为晶片电极面面积

a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为

式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容)

所以

取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生的开路电压,单位记为V/g。

3.2电荷放大器

由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容

量为

式中A为晶片电极面面积；为压电材料的相对介电常数；

为真空介电常数。

因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：( 1 )把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。

( 2 )放大传感器输出的微弱信号。

本设计中前置放大器采用电荷放大器。压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容C放大器的输入电阻、输入电容及压电传感器的泄漏电阻R，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如下所示。

3.2.1测试电路图

3.2.2数据计算处理

图中，A为运算放大器增益。由于运算放大器的，R i 极高，而所以可认为和是开路的。设运算放大器输入电压为输出电压为根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为