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應(yīng)用領(lǐng)域	醫(yī)療衛(wèi)生,電子/電池,制藥/生物制藥,電氣,綜合

740B02實(shí)物美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)我們的優(yōu)勢(shì)：PCB Piezotronics加速度傳感器PCB^®公司專業(yè)致力于壓電測(cè)量技術(shù)的研發(fā)，是研究,、開發(fā)和制造沖擊,、振動(dòng)、力,、壓力,、應(yīng)變、扭矩,、聲學(xué)傳感器及測(cè)量?jī)x器的高科技公司。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空,、航天,、船舶、石化,、水力,、電力、輕工,、交通和車輛等領(lǐng)域,，產(chǎn)品在世界上享有盛譽(yù)。除了通用產(chǎn)品外,， PCB^®也按用戶的要求制造定制產(chǎn)品以滿足不同應(yīng)用和客戶群的需要,。顧客滿意是我們服務(wù)的一貫宗旨

740B02實(shí)物美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù) 產(chǎn)品信息服務(wù):PCB壓力傳感器介紹壓電式壓力傳感器常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，一般不適用于靜態(tài)壓力的測(cè)量,。動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量(典型應(yīng)用如湍流,，，彈道和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等)需要用到有特殊功能的傳感器,，包括快速響應(yīng),，外殼堅(jiān)固，高剛度,，可擴(kuò)展量程和可以測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓力的能力,。

內(nèi)置ICP^®（Integrated Circuit Piezoelectric）電路的加速度計(jì)是復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。其中的機(jī)械和電子部件設(shè)計(jì)用于在幅值和時(shí)域（頻域）上提供寬范圍的線性響應(yīng)（即測(cè)量的加速度信號(hào)產(chǎn)生的電壓信號(hào)）,。但是,，每一支傳感器都有它的測(cè)量限值（包括幅值和頻率兩方面）。超過(guò)這些許可的限值,，就可能會(huì)造成信號(hào)的衰減,、放大或削波。有時(shí),，由于本底噪聲的存在,，信號(hào)甚至不能測(cè)量,。

因此，了解所使用的ICP^®加速度計(jì)的測(cè)量限值,，并將測(cè)量值保持在其限值之內(nèi),，對(duì)保證測(cè)試測(cè)量的準(zhǔn)確性是非常重要的。

本文將從以下幾個(gè)方面和大家探討加速度計(jì)的測(cè)量極限,。

ICP^®加速度計(jì)的工作原理,；
線性響應(yīng)的（幅值和頻率）上限和下限及決定因素；
借助信號(hào)處理理論和示例,，分析測(cè)量值超過(guò)限值對(duì)響應(yīng)頻譜的影響,；
如何通過(guò)參數(shù)表，了解加速度計(jì)的測(cè)量限值,。

2.2 頻率限值

2.2.1 頻率下限—放電時(shí)間常數(shù)（DTC）

關(guān)于低頻背景噪聲,，一個(gè)經(jīng)常會(huì)被問(wèn)起的問(wèn)題是：“為什么不采取減小RC電路中的電阻值的簡(jiǎn)單辦法，以減少噪聲,？" 答案在于,，RC電路除了影響測(cè)量限值之外，還起到一個(gè)高通濾波器的作用,，如圖8所示：

圖8 RC電路,、DTC和低頻限值的關(guān)系

減小電阻會(huì)使這個(gè)高通濾波器的截止頻率上移，從而減少可用頻率范圍,。為理解這個(gè)問(wèn)題,，我們首先看ICP^®傳感器中RC電路的電壓傳遞函數(shù)：美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)

放電時(shí)間常數(shù)（DTC）是電阻和電容的乘積，因此：美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)

DTC的倒數(shù)也就是這個(gè)高通濾波器的截止頻率,，也就是通常所說(shuō)的3dB頻率點(diǎn)：美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)
因此：
這個(gè)一階高通濾波器的幅頻和相頻特性如圖9所示,。注意，幅頻圖中采用了對(duì)數(shù)坐標(biāo),，以清楚顯示截止頻率以下的趨勢(shì),。隨著頻率的下降，不但電壓的幅值發(fā)生衰減,，相位也逐漸增大,，直至增到90度的限值。

圖9 一階高通濾波器的幅頻和相頻特性

2.2.2 頻率上限 — 加速度計(jì)諧振
我們已經(jīng)知道,，加速度計(jì)的頻率下限取決于加速度計(jì)內(nèi)部電路的電氣特性,，而其頻率上限則取決于它的機(jī)械特性。加速度計(jì)中的慣性質(zhì)量,、壓電晶體可等效為一個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),。傳感器安裝之后，慣性質(zhì)量、壓電晶體以及安裝連接等同樣可等效為一個(gè)做受迫運(yùn)動(dòng)的單自由度系統(tǒng),。對(duì)于ICP^®加速度計(jì),，自由狀態(tài)下的諧振頻率是沒有實(shí)際意義的，實(shí)際上安裝諧振頻率決定了加速度計(jì)的測(cè)量頻率帶寬的上限,。安裝諧振頻率和傳感器自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率有關(guān),，也和安裝方式有關(guān)。安裝諧振頻率的計(jì)算公式如下為：美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)

加速度計(jì)可視為一個(gè)諧振器,，諧振的放大作用如圖8所示,。放大作用最大的點(diǎn)在f_r頻率點(diǎn)，但在低于f_r的頻率上也有放大作用,。3dB 頻率點(diǎn)受單自由度系統(tǒng)的等效阻尼的影響,，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，該頻率是諧振頻率的一半,。通?？捎玫念l率范圍的上限取為信號(hào)放大5% 或10%的頻率點(diǎn)。

諧振器起到一個(gè)二階低通濾波器的作用,，其傳遞函數(shù)是美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù) 式中,，Q表示諧振器的“增益因子",，實(shí)質(zhì)是結(jié)構(gòu)損耗因子的倒數(shù),。加速度計(jì)很少給出Q的數(shù)值，這個(gè)值通常在50~100的范圍內(nèi),。圖10顯示了這種濾波器的幅頻和相頻響應(yīng),。在低頻部分，對(duì)輸入信號(hào)有一個(gè)單位增益（即無(wú)影響）,，在諧振頻率及附近,，有放大作用。在諧振頻率之上,，信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生180度的相位翻轉(zhuǎn),。

圖10 二階低通濾波器的幅頻和相頻響應(yīng)

接下來(lái)，用一個(gè)由寬帶噪聲和純音（500Hz）構(gòu)成的假想信號(hào)通過(guò)低通諧振濾波器,。有無(wú)濾波兩種情況的對(duì)比見圖11,。可見,，在時(shí)域和頻域圖中,，諧振的放大作用都很明顯，和加速度計(jì)的響應(yīng)相似,。

圖11 低通諧振濾波器對(duì)信號(hào)的影響

3. 使用參數(shù)表,，了解傳感器的測(cè)量限值

雖然決定加速度計(jì)的可用線性范圍的因素很復(fù)雜，但在加速度計(jì)的參數(shù)表里列出了我們以上所講的各項(xiàng)線性范圍，如圖12,、13所示,。根據(jù)這個(gè)參數(shù)表，可以很容易地將測(cè)量控制在線性范圍內(nèi),。

現(xiàn)在,，我們比較PCB^®生產(chǎn)的353C03 （通用型）和393B31（地震型，高靈敏度）兩種加速度計(jì)的參數(shù),。首先,，注意兩種加速度計(jì)的靈敏度分別為10 mV/g 和10 V/g，相差100倍,，差異巨大,。這是由于ICP^®電路中放大器的參數(shù)不同，以及加速度計(jì)中的移動(dòng)質(zhì)量不同（地震型加速度計(jì)使用的質(zhì)量更大,，從而擠壓晶體產(chǎn)生的電荷更多）,。

圖12顯示了決定測(cè)量幅值上限和下限的參數(shù)。量程為電源允許的+/- 5 V除以傳感器的靈敏度（V/g）,。393B31能測(cè)量的加速度的峰值僅為0.5 g,，而353C03 通用型加速度計(jì)的量程則為500g。但是,，393B31的幅值下限為1grms,，要遠(yuǎn)小于353C03的500 g rms，從而能夠測(cè)量更小的振動(dòng),。參數(shù)表通常也提供特定頻率下的譜下限（本底噪聲）,。可以看到,，地震型加速度計(jì)的本底噪聲遠(yuǎn)低于通用型加速度計(jì),，這也是在意料之中。

圖12 參數(shù)表中決定幅值上下限值的參數(shù)

影響頻率限值的參數(shù)見圖13,。放電時(shí)間常數(shù)（DTC）決定了RC電路的頻率下限,。電阻越大，頻率下限越低（需要記住的是,，大電阻也會(huì)增大低頻本底噪聲）,。地震型加速度計(jì)的DTC要大的多，從而能夠更好地測(cè)量低頻成分,。諧振頻率決定了可用頻率范圍的上限,，通常取為諧振頻率的20%。地震型加速度計(jì)的諧振頻率要低得多,。

圖13 參數(shù)表中決定頻率上下限值的參數(shù)

4 結(jié)論

綜上,，ICP^®加速度計(jì)是復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),，包括：

（1）彈簧-質(zhì)量振子，產(chǎn)生變化的電荷,；

（2）簡(jiǎn)單的RC電路,，將電荷轉(zhuǎn)化為電壓，并增加放電時(shí)間,；

（3）放大器,，設(shè)置傳感器的靈敏度（多少V/g）；

（4）電壓范圍為18-30 VDC的恒流源電源,。

這些機(jī)械和電子參數(shù)有效確定了傳感器在幅值和時(shí)域（頻域）上線性響應(yīng)的上下限,。RC電路建立了加速度計(jì)在幅值和頻率上線性響應(yīng)的下限。增大電阻將增高低頻背景噪聲和寬帶分辨率（能夠測(cè)量的最小信號(hào)）,。反之,，減小電阻將提高可測(cè)量頻率的下限。因此,，加速度計(jì)中使用的電阻是綜合考慮背景噪聲和ICP^®的RC電路的高通濾波的截止頻率而確定的,。放大器和電源供電電壓的范圍決定了幅值的上限，通常為+/- 5 V,。最后,，振蕩質(zhì)量和晶體決定了諧振頻率，以及信號(hào)將被顯著放大的頻率上限,。

超過(guò)這些限值,，將可能產(chǎn)生以下影響：

（1）造成削波和信號(hào)衰減（幅值超過(guò)+/- 5 V時(shí)）；

（2）信號(hào)不能被測(cè)量（信號(hào)幅值低于本底噪聲）,；

（3）高通濾波器對(duì)低頻信號(hào)造成衰減,；

（4）高頻時(shí)由于內(nèi)部諧振對(duì)信號(hào)放大,。

根據(jù)廠家提供的加速度計(jì)參數(shù)表,，可以很容易地將測(cè)量控制在加速度計(jì)許可的（幅值和頻率）線性范圍內(nèi)。

STELLAR TECHNOLOGY壓力傳感ST1500-15000G-228
STELLAR TECHNOLOGY壓力傳感ST1550-15000G-139

352C34113B26357B21039250-51201

482C16113B22393B045302D-02A

482C05113B24TLD333B30039237-50051

208A11113B21356A26039037-50022

208A12113B28 393B12039237-50022

208A13102M205333B40039050-51201

208A14112A05352B5302D-01A

美國(guó)PCB動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)

208A15176M03357B11039037-50051

208C01106B354C03039225-50101

208C02112A22352C66039230-50021

208C03132A31393B31039275-50301

208C04102M206393A032301-02A

208C05106B50352A602302-02A

218A11 106B52353B162508-02A

218C102B393B05039050-50101

201A75113B27350D02039201-53102

201A76116B352B10039230-50101

201B01137B23BTLD356A02 039250-50101

201B02137B24B355B032508-04A

201B03102B04356A714104-01A

201B04109C11TLD352A564115K-08A

201B05109C123741E12200G039001-53102

202B 203B112A21TLD356A16039025-50051

204C/205C102B06320C03039025-50101

206C/207C106B51353B31039030-50021

211B/212B176M12355B02039030-50101

213B/214B137B23A 353B14039075-50301

215B/216B/217B137B22B320C15039075-51501

221B01105C02350B01039075-53601

221B02102B153711E1150G039225-51015

221B03113B23288D01039230-51015

221B04102B03 320C04039275-51501

221B05111A26333B32039275-53601

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