压电式加速度传感器在振动测量系统中的运用

张海伦

【摘要】压电式加速度传感器具有重量轻、体积小、应用范围广泛等方面的特点，能够在高温的情况下进行测量，因而被人们广泛地应用到振动测量系统中。文章在阐述压电式加速度传感器原理的基础上，结合实际具体分析压电式加速度传感器在振动测量系统中的运用。

【关键词】压电式加速度传感器;振动测量系统;运用

各个工程在发展的过程中普遍存在不同程度的振动，严重的振动会影响工程发展。为此，在工程发展中需要对各类形式的振动进行测试。在一般情况下，振动测试需要从振动舒适度、振动频率、振动强度等几个方面人手。在压电式加速传感器技术的不断发展下，这类技术形式开始被人们应用到振动测试中，有效提升了振动测试的精准度。

一、压电式加速度传感器原理

压电式加速度传感器是一种机电换能器，设计所应用的压电材料包含天然石英、人工极化陶瓷等。压电式加速度传感器在受到一定机械荷载的时候会在压电材料的极化面出现电荷。在压电晶片受力的时候，晶体两边会出现一些正负电荷。这个时候压电晶体片在使用的过程中和一个平行板电容器类似。

二、压电式加速度传感器在振动测量系统的运用

（一）设计方案

工程以往的振动测试系统包含压电加速度计、电荷放大器、动态信号分析仪器，具体如图1所示。被测试的振动加速度信号会在传感器的作用下传播，电荷放大器会将信号转变为电压信号，之后通过数据采集测试仪来进行取样。在获取信号之后通过计算机处理系统来进行实时的显示、分析和处理。

（二）系统组成

1.压电式加速度计

在测试系统中，压电式加速度计的作用是将振动量转变为相应的电信号。在具体操作的时候，加速度计要具备以下几方面的要求：第一，具有较宽的动态范围，能够对各种情况的定位进行快速响应。第二，具有较宽的频率响应范围。第三，在频率响应范围内具备良好的线性度。第四，对环境干扰具有较强的灵敏度。

2.电荷放大器

在具体操作中，压电加速度产生的电荷量较小，输出的阻抗比较高，仪器输入的阻抗对整个测量系统会产生较大的影响。电荷放大器的输出电压由传感器电荷灵敏度和反馈电容大小来确定，传感器的内部电容和连接电缆的分布电容和放大器的输入电容对输出电压产生的影响较小。

3.动态数据采集测试仪

动态数据采集测试仪器是整个振动测试系统的环节，在本质上是带通信接口、程序控制的智能化仪表，能够实现对加速度信号的直接测量，同时通过相应的控制模块来对外控制进行输出，在各种类型的通信接口和加速度传感器、前置处理器、计算机上处理各类数据信息。

（三）振动压路机振动测量

建筑工程基础压实操作会使用到振动压路机，在具体施工操作的时候振动轮深受外界多种因素的影响，特别是压土壤性能深刻影响振动压路机的动态性能。在具体施工操作的时候为了能够提升压实效率，振动压路机的各类参数也会跟随被压实土壤的性能变化来做出相应的调整。按照振动论的系统管理理论，由分离加速度计、电荷放大器、数据采集设备共同组成振动压路机振动测量系统。在测量过程中数据信息采取多通道并行的方式，A/D的分辨率为12bit，最高采样频率为1MHz，频率范围在0.5Hz～6KHz范围内。在具体测试操作范围内压实材料是砾类土，压路机的行走速度控制为1.7km/h。在具体管理的过程中还需要对收集到的加速度信号进行功率谱分析，得到的功率谱值和理论的数值表现一致。振动轮系统的响应参数会随着压实作业过程中土壤性能变化发生相应的变化。在对土壤压实度进行自动化检测之后为整个土壤密实度的在线监测系统提供了重要支持。

（四）实验结果分析

在传感器应用在中低速磁悬浮列车中被检测的物体是悬浮轨道的下表面，材料类型是A3钢，对传感器的数据信息进行标定。标定之前，频率和灵敏度会随着位移的增加来不断减少，整个曲线呈现出非线性的发展特点。在拟合操作的过程中应用Matlab进行检查，拟合确定的曲线和校订曲线的最大偏差为1KHz，对应的线性度为0.6%FS，灵敏度的最差为3KHz/mm，分频率为0.66%FS左右。从标定的数据信息可以发现传感器的使用显示出良好的线性度。

结语

綜上所述，在具体使用操作的时候为了能解决中低速磁悬浮列车的调幅式传感器存在的问题，设计出一种调频电涡流传感器。在整个系统设计的过程中应用到了单片FPGA芯片，完成了M/T法高精准度的测量、温度补偿、RS-485通信接口转换等功能，从而提升了整个系统的集成度，具有广泛的应用前景和空间。