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ICP傳感器系(xì)統應用(yòng)技術
點擊次數:3699 更新時間:2007-11-30
ICP 傳感器 系(xì)統應用技術

吳付崗 孟念湘 張 瑛 魏(wèi)建玲 王彩霞

壓電(diàn)加速度 傳感器 在(zài)振動與沖(chòng)擊測(cè)試中應用,但由于壓電 傳感器(qì) 的壓敏元(yuán)件具有很高阻抗,需要一個前置放(fàng)大器将 傳感器(qì) 的高阻抗(kàng)輸出信号轉換爲低阻抗信号。外置的前置放大器可分爲電(diàn)壓放大器與電(diàn)荷放大器兩種,電壓放大器雖然結構簡(jiǎn)單,線(xiàn)性度和穩定性好,但(dàn)它的靈敏度受(shòu)電纜分布(bù)電容的(de)影響,當連接電纜長度發(fā)生(shēng)變化時,電壓靈敏度也會随之發生變化。電荷放大器(qì)的靈敏度雖然受電纜分布電容的影響很小,但電纜受到振動和彎(wān)曲時,電纜芯線(xiàn)和絕(jué)緣體之間、絕緣體和金屬屏蔽層之(zhī)間由于相對移動摩擦産(chǎn)生靜電荷,會造成電(diàn)纜噪聲。這些都給測試工(gōng)作帶來了麻煩。

ICP(Integrated Circuits Piezoelectric) 傳感器 就是(shì)指内置集成電路的壓電(diàn) 傳(chuán)感器 。與外置前置放大器的壓電(diàn) 傳感器 相比,它可(kě)以克服以(yǐ)上缺點。典型的ICP系統通常采用恒流(liú)源供電,供電電纜同時做(zuò)爲信号(hào)輸出線,輸(shū)出低阻抗信号。整個系統包括ICP 傳感(gǎn)器(qì) ,普通的雙芯電纜和(hé)一個(gè)不間斷電源,所有的ICP系統(tǒng)都需要一個不間斷電源爲ICP 傳感(gǎn)器(qì) 提供恒定的電流。

ICP 傳感器 的高頻響(xiǎng)應通(tōng)常受三個因素的限制(zhì): 傳感器 的固有頻率、内置放(fàng)大器的類型以(yǐ)及傳輸電纜。ICP 傳感(gǎn)器(qì) 的(de)低頻響主要考慮兩個因素:一是(shì) 傳感器 的放電時間常數;另外一個因素則是信号(hào)适調器的(de)耦合電容。如果信号(hào)輸出(chū)采用直流耦合方(fāng)式,則低頻響應隻(zhī)決定于 傳感器 的放電時間常數,但(dàn)直(zhí)流耦(ǒu)合會帶來零漂問(wèn)題,因此大(dà)多數信号适調器都采用交流耦合。

爲了改善加速度 傳感器 的低頻性能,出現了在矽片上蝕刻的單片集(jí)成加速度 傳感器 。這種 傳感器 具有良好的低頻性能(néng),有的還可以測量靜态加速度。選擇(zé)AD公司的(de)ADXL105芯片制作(zuò)了一(yī)種測試較低(dī)頻率的加(jiā)速(sù)度(dù) 傳感器 ,其輸出阻抗小于10W ,有(yǒu)較強的驅動能力。 傳感器 頻響範圍爲5Hz~1kHz,1kHz以上的(de)頻響變差, 傳感器 的諧振頻率約爲(wèi)在5kHz。

由于ADXL105既可以測量動态加速度,也(yě)可以測量靜态加速度(如(rú)慣性力、重力),因此也可以進行(háng)角度測量。對制作的 傳感(gǎn)器 我們也進行了角度響(xiǎng)應測試。ADXL105還帶有一個片上溫度 傳感器 ,這對改善 傳感器 在變溫場環境下的測試性能及解決溫漂問題提(tí)供了有利條件(jiàn)。ADXL105片上溫度 傳感器 的輸出靈敏度爲8mV/ oC。利用自制(zhì) 傳感器 對在變溫場環境下的加(jiā)速度測量進行了試驗,試驗表(biǎo)明,測量數據有較(jiào)好的重複性,這使(shǐ)得利用智能傳感/變送器系統解決溫漂和變溫場測(cè)量成爲可能。

利用(yòng)ADXL105具有片上溫度 傳感器 所測得的溫度值,通過曲面拟合算法,也就是(shì)二維回歸分析法來(lái)解決加速度 傳感器(qì) 的溫度與加速度的(de)交叉靈敏度問題。在(zài)考慮溫度(dù)和加速度兩個因素時, 傳感器 所(suǒ)測(cè)值U是加速度輸出Ua和溫度(dù)輸出Ut的二(èr)元函數,即U=f (Ua , Ut),利用二次(cì)曲面拟合方程即二維回(huí)歸方程來表示,則可(kě)以寫成U=a 0+a 1Ua+a 2Ut+ a 3Ua2+a 4UaU1+a 5Ut2+e 1,a 0 ~ a 5爲待定系數,e 1是高階無窮小(xiǎo)。

在量(liàng)程範圍内确定n個加速度标定點,m個(gè)溫度标定點,于(yú)是(shì)可得到(dào)n×m個标定數據(jù),可根據這n×m個标定數據來确定回歸方程的系數。爲(wèi)确定二次(cì)曲面拟(nǐ)合方程待定系數,通常采用zui小二乘(chéng)法原理,使求得的系數值滿足均方差zui小的條件。

由二次曲面拟合方(fāng)程計算得到的U(Ua,Ut)值與标定值Uk之間存在誤差,其方差可表示爲D k2=[Uk - f (Ua,Ut)],共有n×m個标定點,其均方差


要使R值(zhí)zui小,根據多元函數(shù)求極值的條件,可令下(xià)列各偏導(dǎo)數(shù)爲零,将其聯立方程(chéng)組,根據實驗标定點的數據(jù),則可求得系數a 0~a 5,由此可以(yǐ)确定二次曲面拟合方程(chéng)。

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