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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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量的重要條件。
在同樣的安裝條件下一般說(shuō)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量。
典型高頻測(cè)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(cè)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(cè)量對(duì)象的體積越大，其測(cè)量頻率越低，則信號(hào)的信噪比的問(wèn)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(cè)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(lái)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(lái)確定。從實(shí)用角度來(lái)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(guò)傳感器對(duì)時(shí)間域內(nèi)階躍信號(hào)的響應(yīng)可測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(lái)其他的負(fù)面效應(yīng)，比如傳感器的穩(wěn)定性，抗過(guò)載能力，以及對(duì)周邊環(huán)境干擾的敏感性。因此追求過(guò)高靈敏度并不一定能解決微小信號(hào)的測(cè)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(wèn)題。所以選用具有低電噪聲的傳感器在低頻測(cè)量中尤為重要。
為了表明傳感器所能測(cè)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(guó)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(cè)量來(lái)說(shuō)，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(cè)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(cè)量頻率很低時(shí)傳感器的電噪聲輸出按指數(shù)幅度增長(zhǎng)。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(cè)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(lái)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(cè)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(cè)量尤為重要。由于低頻測(cè)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(cè)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^(guò)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(guó)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(cè)量的加速度傳感器經(jīng)國(guó)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(cè)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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