無錫(xī)市興(xìng)洲儀器儀表有限公司

吳付(fù)崗 孟(mèng)念湘(xiāng) 張 瑛 魏建玲 王(wáng)彩霞

壓電加速度 傳感器(qì) 在振動與沖擊測試(shì)中應用，但由于(yú)壓電 傳感器 的(de)壓敏元件具有很高(gāo)阻抗，需要(yào)一個前置放大(dà)器将(jiāng) 傳感器 的(de)高(gāo)阻抗(kàng)輸出信(xìn)号轉換(huàn)爲低(dī)阻(zǔ)抗信(xìn)号。外置的(de)前置放大器可(kě)分爲(wèi)電壓(yā)放大(dà)器與電荷(hé)放大(dà)器兩種，電壓放大器雖然(rán)結構(gòu)簡單，線性度和穩定性好，但它(tā)的靈敏(mǐn)度(dù)受電纜分(fèn)布電容的(de)影響，當連(lián)接電纜長(zhǎng)度發(fā)生變(biàn)化時，電(diàn)壓(yā)靈敏(mǐn)度也會随之發(fā)生變化。電荷放(fàng)大器的靈敏度(dù)雖然受(shòu)電纜分(fèn)布電容的(de)影響(xiǎng)很小，但電纜受(shòu)到振動(dòng)和(hé)彎(wān)曲(qǔ)時，電纜芯(xīn)線和(hé)絕緣體之間、絕(jué)緣體和金屬屏(píng)蔽層之間由于(yú)相對移(yí)動摩(mó)擦(cā)産生(shēng)靜電荷，會(huì)造成電(diàn)纜噪聲(shēng)。這些(xiē)都給(gěi)測試(shì)工作帶來了麻(má)煩。

icp(integrated circuits piezoelectric) 傳(chuán)感器 就是(shì)指内置(zhì)集(jí)成電(diàn)路的壓電 傳感器 。與外(wài)置前置放大器(qì)的壓電(diàn) 傳感器 相比，它(tā)可以(yǐ)克服以上(shàng)缺點。典(diǎn)型的icp系統通(tōng)常采用恒流源供電，供電(diàn)電纜(lǎn)同時做爲信号(hào)輸出線，輸(shū)出低阻(zǔ)抗信号。整個系統包括icp 傳感器 ，普(pǔ)通的(de)雙芯(xīn)電纜(lǎn)和一(yī)個不間斷電源(yuán)，所有(yǒu)的icp系(xì)統都需要(yào)一(yī)個不間(jiān)斷電源爲(wèi)icp 傳感(gǎn)器 提供恒(héng)定的(de)電流。

icp 傳(chuán)感(gǎn)器 的(de)高頻(pín)響(xiǎng)應通常受三個(gè)因(yīn)素的(de)限制： 傳(chuán)感器 的(de)固有頻率(lǜ)、内置(zhì)放大(dà)器的(de)類型(xíng)以及傳(chuán)輸電纜(lǎn)。icp 傳感(gǎn)器(qì) 的低頻(pín)響主要(yào)考慮兩個因(yīn)素：一是(shì) 傳(chuán)感器(qì) 的放電時(shí)間常數；另外一個因(yīn)素(sù)則(zé)是信(xìn)号(hào)适調器的耦(ǒu)合電容。如果(guǒ)信(xìn)号輸出(chū)采(cǎi)用直(zhí)流耦合方(fāng)式，則(zé)低頻(pín)響應(yīng)隻決(jué)定于 傳(chuán)感(gǎn)器 的(de)放電時間常數(shù)，但直流耦合會帶來(lái)零(líng)漂(piāo)問題(tí)，因此(cǐ)大多數信(xìn)号适調器都采(cǎi)用交流(liú)耦合。

爲了改善加速度(dù) 傳感器(qì) 的(de)低頻(pín)性能(néng)，出現了在(zài)矽片上(shàng)蝕刻的(de)單片(piàn)集成(chéng)加速度 傳感器(qì) 。這種 傳感器(qì) 具有良(liáng)好的(de)低頻(pín)性能(néng)，有的(de)還可以測(cè)量靜(jìng)态加(jiā)速度(dù)。選擇(zé)ad公(gōng)司的adxl105芯(xīn)片制作了(le)一種(zhǒng)測試較低頻率(lǜ)的(de)加速度 傳感(gǎn)器 ，其輸(shū)出阻(zǔ)抗(kàng)小于10w ，有較(jiào)強的(de)驅動能(néng)力(lì)。 傳感(gǎn)器 頻(pín)響範圍爲5hz~1khz，1khz以(yǐ)上(shàng)的頻響變(biàn)差， 傳感器(qì) 的諧(xié)振頻率約爲在(zài)5khz。

由于adxl105既可以測量動(dòng)态加速度(dù)，也可以測(cè)量靜(jìng)态加速度（如慣(guàn)性力、重(zhòng)力），因此(cǐ)也可(kě)以進行角(jiǎo)度測(cè)量。對制作(zuò)的(de) 傳感器 我們(men)也進行了角度(dù)響應(yīng)測試(shì)。adxl105還帶有一個(gè)片(piàn)上溫度 傳感器 ，這對(duì)改善 傳感(gǎn)器 在(zài)變溫(wēn)場環境下(xià)的測試(shì)性(xìng)能及解決溫(wēn)漂問題(tí)提供了有利條(tiáo)件(jiàn)。adxl105片(piàn)上溫度 傳(chuán)感器 的輸(shū)出靈敏度爲(wèi)8mv/ oc。利(lì)用自(zì)制 傳感器 對在(zài)變溫(wēn)場環境下(xià)的加速度(dù)測量(liàng)進行了試驗，試(shì)驗表明，測(cè)量數(shù)據有較好的重(zhòng)複性，這使得利(lì)用智能傳感/變(biàn)送器系統解決(jué)溫漂(piāo)和變溫場(chǎng)測量成(chéng)爲(wèi)可能(néng)。

利用adxl105具有(yǒu)片上(shàng)溫度 傳感器 所(suǒ)測得的(de)溫(wēn)度(dù)值，通過曲面拟合(hé)算法，也就是二(èr)維回歸(guī)分析法(fǎ)來(lái)解決加速度(dù) 傳感器 的(de)溫(wēn)度(dù)與加速(sù)度的交(jiāo)叉靈敏(mǐn)度問題(tí)。在考(kǎo)慮溫度和(hé)加(jiā)速度兩個因(yīn)素時， 傳感器 所(suǒ)測值u是(shì)加速度(dù)輸出ua和溫(wēn)度輸(shū)出ut的二元函數(shù)，即(jí)u=f (ua , ut)，利(lì)用二次曲(qǔ)面拟(nǐ)合方程即二維回(huí)歸(guī)方程(chéng)來表示(shì)，則可以(yǐ)寫成u=a 0+a 1ua+a 2ut+ a 3ua2+a 4uau1+a 5ut2+e 1，a 0 ~ a 5爲待定系(xì)數，e 1是高階無窮(qióng)小。

在量(liàng)程範圍(wéi)内确定n個(gè)加速(sù)度标(biāo)定點，m個溫(wēn)度标(biāo)定點(diǎn)，于是(shì)可得到n×m個标定(dìng)數據，可根據這n×m個标(biāo)定(dìng)數(shù)據來(lái)确定(dìng)回歸方程(chéng)的系(xì)數。爲确定二(èr)次(cì)曲面(miàn)拟合(hé)方程待定系(xì)數(shù)，通常采用(yòng)zui小二(èr)乘法原理，使求(qiú)得的系數值滿(mǎn)足(zú)均方差zui小的(de)條件。

由二次(cì)曲面拟(nǐ)合方程計算得到的(de)u（ua，ut）值與(yǔ)标定(dìng)值uk之間存(cún)在誤(wù)差，其方差可表示(shì)爲d k2=[uk - f (ua，ut)]，共有(yǒu)n×m個标定點，其均(jun1)方差

要(yào)使r值zui小，根據多(duō)元(yuán)函數求極值的條件(jiàn)，可令下(xià)列(liè)各偏導數爲零(líng)，将其(qí)聯立(lì)方程(chéng)組，根(gēn)據實(shí)驗标定點(diǎn)的數(shù)據，則可求(qiú)得系數a 0~a 5，由此可(kě)以确(què)定二(èr)次曲(qǔ)面拟(nǐ)合方(fāng)程。