一种新型的冲击加速度测量系统设计

0 引言
    自1880年两位法国科学家J．Curie和P．Curie在研究石英晶体时发现材料的压电现象以后，在材料学界便引发了一场压电材料研究热。经过一百多年的发展，压电材料的种类已经由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器。目前，常用于测量加速度的传感器主要有压电式传感器和压阻式传感器，相对而言，压电式传感器在温漂方面性能更好，另外压电式传感器具有独特的优点：工作频率范围宽(可从几赫兹到几百兆赫)、动态范围大、频响时间快、灵敏度高、温度稳定性好(－20℃～+150℃)。
    本测量系统正是基于上述压电式传感器的优点和用户实际的需求，提出了新的设计方案，实现了频带宽、灵敏度高、工作可靠和重量轻等优点。

1 工作原理
    压电式传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器，其中压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变，包括弯曲和伸缩形变时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。如图1所示。

    压电晶体是人工极化陶瓷材料，这种材料按不同的晶格方向切割做成压电晶体片时，具有不同的压电效应，只对单轴向受力敏感。敏感质量是附加质量块，它和压电晶体构成传感器的敏感芯体，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比的力，并加载到压电晶体上。

    系统工作原理如图2所示。测量系统工作时，压电式传感器安装在待测物体上，传感器外接信号变换器。当待测物体受到冲击产生加速度时，传感器产生压电效应，将加速度转换为电荷量，通过高精度电荷放大器将电荷量变换为电压量，再经信号调理电路处理后得到与被测加速度成比例的电压输出

2 变换器调理电路设计
    调理电路器件主要有高精度运算放大器TL062ID、低通滤波器MAX7410和电源模块KDY－24D1212。
2．1 放大电路设计
    高精度运算放大器TL062ID在调理电路中起信号转换放大、控制低频和电压偏置作用，如图3所示。

    在电路中，Vi为传感器信号输入，运算放大器U1A部分将传感器输入的电荷信号转换为电压信号；反馈电容C2依据计算公式Q＝CU可以改变，用于信号放大和调节电压大小；电容C3起“隔直通交”作用，隔断运算放大器U1A部分自身产生的直流信号，导通传感器并转换后的交流信号，同时控制输出信号的下限频率。
    该电路的电压输出范围设计为0～5 V，运算放大器U1B部分用于电压偏置，并设零位基准电压为2．5 V，可以将传感器测得的正负加速度方向的电压输出保持在0～5 V内；稳压管D1限高电压为5．6 V，对低通滤波器MAX7410起到保护作用。
2．2 滤波电路设计
    由于带宽范围的要求，需要对信号进行滤波处理，滤除频响范围之外的信号和噪声，设计中采用低通滤波器MAX7410，该滤波器带外衰减快，保证所需带内信号的输出，如图4所示。

    在电路中，信号从Vo输入，经过滤波处理，从Vo’输出；电阻R5电容分压限流，保护滤波器MAX7410；C4用于控制带内高频上限并滤除高频带外信号。
2．3 电源电路设计
    测试系统由外部电源提供+28 V工作电压，内部采用电源模块KDY-24D1212将+28V电压转换成士12 V电压两路输出，一路为运算放大器提供工作电压，一路输出到其它电源芯片上。

3 试验
    试验分别进行静态测量和动态测量，首先，系统连接信号模拟器，放入高低温试验箱中，并设置环境温度为－40℃～+50℃，测量其静态工作输出；其次，将传感器和信号变换器安装振动台和马歇特冲击锤上，进行实际动态测量。通过上述试验，得到频响曲线和实测值，如图5和表1所示。

    图5中拟合曲线为衰减度和频率的对应关系，可以看出，带内不平度小于3 dB，带外衰减度大于－20 dB／oct，符合加速度传感器输出特性。
    表1为标准值与实测值比较，从中可以看出，各项指标均符合技术要求，线性度误差为1．35％。

4 结束语
    本文介绍了基于压电式的一种冲击加速度测量系统，结构易于安装，电路性能优良可靠，并成功地应用到实际测量中。依据客户反馈的信息，传感器完全达到了技术要求的标准，可应用于航空、航天、国防等军品领域以及铁路、桥梁、建筑等国民经济领域。