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決定傳感器高頻響應(yīng)的相關(guān)因素
2012-09-17
傳感器的高頻截止頻率
高頻截止頻率是指在所規(guī)定的傳感器頻率響應(yīng)幅值誤差(±5%,±10%或±3dB)內(nèi)所能測量的最高頻率信號(hào)。高頻截止頻率直接與誤差值大小相關(guān),規(guī)定的誤差范圍大則其相應(yīng)的高頻截止頻率也相對(duì)較高。所以不同傳感器的高頻截止頻率指標(biāo)必須在相同的誤差條件下進(jìn)行比較。
高頻截止頻率高的傳感器其敏感芯體一定具有較高的固有頻率，所以傳感器的靈敏度就相對(duì)較低。選用高頻率測量的傳感器時(shí)，為了滿足傳感器的高頻頻率響應(yīng)指標(biāo)，需要適當(dāng)降低對(duì)其靈敏度的要求。壓電式加速度傳感器的高頻特性取決于傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的一階諧振頻率，實(shí)際使用中傳感器的一階諧振頻率往往是其安裝諧振頻率。安裝諧振頻率則由傳感器內(nèi)部敏感芯體的固有頻率以及傳感器的總體質(zhì)量和安裝偶合剛度綜合決定。安裝諧振頻率的高低將直接影響傳感器的高頻測量范圍，所以在具有穩(wěn)定的敏感芯體諧振頻率的前提下，提高安裝耦合剛度是保證高頻測量的重要條件。
在同樣的安裝條件下一般說傳感器的重量越輕其安裝諧振頻率越高，其高頻截止頻率也越高。當(dāng)然決定傳感器高頻響應(yīng)的最基本因素還是傳感器內(nèi)部敏感芯體的固有頻率。BW-sensor的內(nèi)部敏感芯體采用國外先進(jìn)的記憶金屬，敏感芯體不僅有較高的固有頻率而且有非常穩(wěn)定的頻率響應(yīng)特性。BW-sensor的高頻響應(yīng)特性及其一致性遠(yuǎn)優(yōu)于僅靠零部件公差配合或安裝螺釘緊固等方法而設(shè)計(jì)制造的剪切型加速度計(jì)。
傳感器的安裝形式，安裝諧振頻率
傳感器生產(chǎn)廠商提供的高頻截止頻率都是在采用較理想的安裝條件下所獲得的。實(shí)際使用中傳感器的安裝形式的不同和安裝質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響安裝偶合剛度，進(jìn)而改變傳感器的測量高頻截止頻率。不同安裝方式(螺釘，粘接，吸鐵磁座和手持)所對(duì)應(yīng)不同安裝諧振頻率的特征已在很多振動(dòng)測量的文獻(xiàn)中被闡述;但有必要指出當(dāng)不同形式的安裝方式組合在一起(如螺釘安裝加配吸鐵座)，傳感器的高頻響應(yīng)將被最低頻率響應(yīng)的安裝形式所制約。高頻測量的安裝方式往往采用螺釘安裝形式。為了達(dá)到理想的效果，被測對(duì)象的表面必需達(dá)到所規(guī)定的平度和光潔度要求以及傳感器安裝時(shí)應(yīng)所規(guī)定的扭矩,以盡可能地提高安裝偶合剛度保證傳感器高頻截止頻率。傳感器的高頻截止頻率越高則對(duì)傳感器的安裝要求也越高，因此使用高頻測量傳感器的用戶必須認(rèn)真對(duì)待傳感器的安裝。
傳感器的輸出接頭形式和電纜對(duì)測量信號(hào)的影響
傳感器的信號(hào)輸出接頭也是潛在的影響高頻測量的重要因素。在實(shí)際應(yīng)用中傳感器的接頭和電纜也是傳感器的組成部分。各種形式的接頭，電纜接頭與傳感器的聯(lián)接，以及電纜的重量和電纜相對(duì)于被測物體的固定形式也將直接影響傳感器的諧振頻率。傳感器的重量越輕，接頭和電纜對(duì)高頻測量的影響越顯著。所以當(dāng)安裝條件許可的情況下小型高頻測量傳感器的接頭形式應(yīng)首先考慮聯(lián)體電纜，聯(lián)體電纜具有可動(dòng)零件少，重量輕的特點(diǎn)，比較適合高頻測量。
典型高頻測量傳感器
低阻電壓輸出型
D111/D112靈敏度1mV/ms-2，頻率范圍0.5Hz~10kHz，M5頂/側(cè)端輸出
重量：12克，尺寸：13mm(六角)x19mm(高)，M5螺釘安裝
D121/D122靈敏度2mV/ms-2，頻率范圍0.5Hz~10kHz,M5頂/側(cè)端輸出
重量：12克，尺寸：13mm(六角)x19mm(高)，M5螺釘安裝
電荷輸出型
D21100靈敏度0.1pC/ms-2，頻率范圍1Hz~12kHz，M5頂端輸出
重量：7克，尺寸：10mm(六角)x19mm(高)，連體M6螺釘安裝
D21103靈敏度0.1pC/ms-2，頻率范圍1Hz~12kHz，M5頂端輸出
重量:7克,尺寸:10mm(六角)x23mm(高)，外殼絕緣，,連體M6螺釘安裝
D221/D222靈敏度0.3pC/ms-2，頻率范圍1Hz~12kHz，M5頂端/連體電纜側(cè)端輸出
重量：2克，尺寸：7mm(六角)x12~16mm(高)，M3螺釘安裝
低頻：
電荷輸出型加速度計(jì)不適合用于低頻測量
由于低頻振動(dòng)的加速度信號(hào)都很微小，而高阻抗的小電荷信號(hào)非常容易受干擾;當(dāng)測量對(duì)象的體積越大，其測量頻率越低，則信號(hào)的信噪比的問題更為突出。因此在目前帶內(nèi)置電路加速度傳感器日趨普遍的情況下應(yīng)盡量選用電噪聲比較小，低頻特性優(yōu)良的低阻抗電壓輸出型壓電加速度傳感器。
傳感器的低頻截止頻率
與傳感器的高頻截止頻率類同，低頻截止頻率是指在所規(guī)定的傳感器頻率響應(yīng)幅值誤差(±5%,±10%或±3dB)內(nèi)傳感器所能測量的最低頻率信號(hào)。誤差值越大其低頻截止頻率也相對(duì)越低。所以不同傳感器的低頻截止頻率指標(biāo)必須在相同的誤差條件下進(jìn)行比較。
低阻抗電壓輸出型傳感器的低頻特性是由傳感器敏感芯體和內(nèi)置電路的綜合電參數(shù)所決定的。其頻率響應(yīng)特性可以用模擬電路的一階高通濾波器特性來描述，所以傳感器的低頻響應(yīng)和截止頻率完全可以用一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來確定。從實(shí)用角度來看，由于傳感器的甚低頻頻率響應(yīng)的標(biāo)定比較困難，而通過傳感器對(duì)時(shí)間域內(nèi)階躍信號(hào)的響應(yīng)可測得傳感器的時(shí)間常數(shù);因此利用傳感器的低頻響應(yīng)與一階高通濾波器的特性幾乎一致的特點(diǎn)，通過計(jì)算可方便地獲得傳感器的低頻響應(yīng)和與其對(duì)應(yīng)的低頻截至頻率。
傳感器的靈敏度，低頻噪聲特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍
用于低頻測量的傳感器一般要求有比較高的靈敏度以滿足低頻小信號(hào)的測量。但靈敏度的增加往往是有限的。雖然加速度傳感器靈敏度是能達(dá)到10V/g或更高，但是靈敏度高往往帶來其他的負(fù)面效應(yīng)，比如傳感器的穩(wěn)定性，抗過載能力，以及對(duì)周邊環(huán)境干擾的敏感性。因此追求過高靈敏度并不一定能解決微小信號(hào)的測量，相反高分辨率和低噪聲的傳感器在工程應(yīng)用中往往更容易解決實(shí)際問題。所以選用具有低電噪聲的傳感器在低頻測量中尤為重要。
為了表明傳感器所能測量的最小信號(hào)大部分商業(yè)化的加速度計(jì)也都提供分辨率或電噪聲指標(biāo)。國內(nèi)絕大部分傳感器的寬帶電噪聲指標(biāo)一般都標(biāo)為20μV，而BW-sensor的寬帶電噪聲指標(biāo)已降低到10μV。然而對(duì)低頻小信號(hào)測量來說，僅提供寬頻帶的電噪聲并不能完全反映傳感器在低頻范圍內(nèi)加速度測量的分辨率;這是因?yàn)橛蓛?nèi)置電路引起的低頻噪聲大小與頻率的倒數(shù)成正比，即所謂1/f噪聲，當(dāng)測量頻率很低時(shí)傳感器的電噪聲輸出按指數(shù)幅度增長。所以傳感器的低頻電噪聲的數(shù)值與寬帶電噪聲指標(biāo)是完全不同的而且頻率越低這種差別越明顯。因此用于甚低頻測量的傳感器其分辨率常用傳感器輸出電噪聲的功率譜密度表示。此指標(biāo)的實(shí)用意義是傳感器在特定頻率下的噪聲大小，其單位是一般用μV/√Hz或μg/√Hz來表示。BW-sensor內(nèi)置電路電噪聲功率譜密度的典型值為3μV/√Hz@10Hz。
傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)對(duì)低頻測量的影響
由于壓電陶瓷的特性，壓電式加速度計(jì)對(duì)溫度的突然變化都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電荷輸出。傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)指標(biāo)就是衡量傳感器對(duì)溫度變化的敏感程度。這對(duì)低頻測量尤為重要。由于低頻測量的信號(hào)很小，而傳感器因環(huán)境溫度變化極可能產(chǎn)生與低頻振動(dòng)信號(hào)相當(dāng)?shù)恼`差;這兩種信號(hào)在甚低頻范圍內(nèi)很難區(qū)分，因此如何減小環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器輸出的影響在低頻測量中顯得非常重要。傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)指標(biāo)單位是g/oC,表示瞬態(tài)溫度每變化一度所相當(dāng)?shù)募铀俣容敵觯渲凳峭ㄟ^電壓(電荷)輸出和傳感器靈敏度之間的換算得到的。
傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)是由壓電材料直接導(dǎo)致的，因此壓電陶瓷對(duì)由溫度突變所致的電荷輸出大小決定了這一指標(biāo)的好壞。BW-sensor選用目前國外綜合性能指標(biāo)最好的壓電陶瓷并結(jié)合記憶金屬制成的用于低頻測量的加速度傳感器經(jīng)國防兵器、航天和大型結(jié)構(gòu)多年的使用驗(yàn)證了傳感器具有優(yōu)越的低頻輸出穩(wěn)定性和抗干擾性能。實(shí)際甚低頻測量中，為了減低環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器低頻信號(hào)輸出的影響，傳感器的外殼盡可能采用隔熱保護(hù)套。
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