| 品牌 | PCB/美國 | 應用領域 | 醫療衛生,電子/電池,制藥/生物制藥,電氣,綜合 |
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740B02實物美國PCB動態應變傳感器數據我們的優勢：PCB Piezotronics加速度傳感器PCB®公司專業致力于壓電測量技術的研發，是研究、開發和制造沖擊、振動、力、壓力、應變、扭矩、聲學傳感器及測量儀器的高科技公司。產品廣泛應用于航空、航天、船舶、石化、水力、電力、輕工、交通和車輛等領域，產品在世界上享有盛譽。除了通用產品外， PCB®也按用戶的要求制造定制產品以滿足不同應用和客戶群的需要。顧客滿意是我們服務的一貫宗旨
740B02實物美國PCB動態應變傳感器數據 產品信息服務:PCB壓力傳感器介紹 壓電式壓力傳感器常用來測量動態壓力，一般不適用于靜態壓力的測量。動態壓力測量(典型應用如湍流，，彈道和發動機燃燒等)需要用到有特殊功能的傳感器，包括快速響應，外殼堅固，高剛度，可擴展量程和可以測量準靜態壓力的能力。
內置ICP®（Integrated Circuit Piezoelectric）電路的加速度計是復雜的機電系統。其中的機械和電子部件設計用于在幅值和時域（頻域）上提供寬范圍的線性響應（即測量的加速度信號產生的電壓信號）。但是，每一支傳感器都有它的測量限值（包括幅值和頻率兩方面）。超過這些許可的限值，就可能會造成信號的衰減、放大或削波。有時，由于本底噪聲的存在，信號甚至不能測量。
因此，了解所使用的ICP®加速度計的測量限值，并將測量值保持在其限值之內，對保證測試測量的準確性是非常重要的。
本文將從以下幾個方面和大家探討加速度計的測量極限。
ICP®加速度計的工作原理；
線性響應的（幅值和頻率）上限和下限及決定因素；
借助信號處理理論和示例，分析測量值超過限值對響應頻譜的影響；
如何通過參數表，了解加速度計的測量限值。
2.2 頻率限值
2.2.1 頻率下限—放電時間常數（DTC）
關于低頻背景噪聲，一個經常會被問起的問題是：“為什么不采取減小RC電路中的電阻值的簡單辦法，以減少噪聲？" 答案在于，RC電路除了影響測量限值之外，還起到一個高通濾波器的作用，如圖8所示：
圖8 RC電路、DTC和低頻限值的關系
減小電阻會使這個高通濾波器的截止頻率上移，從而減少可用頻率范圍。為理解這個問題，我們首先看ICP®傳感器中RC電路的電壓傳遞函數：
放電時間常數（DTC）是電阻和電容的乘積，因此：
DTC的倒數也就是這個高通濾波器的截止頻率，也就是通常所說的3dB頻率點：
因此：
這個一階高通濾波器的幅頻和相頻特性如圖9所示。注意，幅頻圖中采用了對數坐標，以清楚顯示截止頻率以下的趨勢。隨著頻率的下降，不但電壓的幅值發生衰減，相位也逐漸增大，直至增到90度的限值。
圖9 一階高通濾波器的幅頻和相頻特性
2.2.2 頻率上限 — 加速度計諧振
我們已經知道，加速度計的頻率下限取決于加速度計內部電路的電氣特性，而其頻率上限則取決于它的機械特性。加速度計中的慣性質量、壓電晶體可等效為一個單自由度運動系統。傳感器安裝之后，慣性質量、壓電晶體以及安裝連接等同樣可等效為一個做受迫運動的單自由度系統。對于ICP®加速度計，自由狀態下的諧振頻率是沒有實際意義的，實際上安裝諧振頻率決定了加速度計的測量頻率帶寬的上限。安裝諧振頻率和傳感器自身機械結構的固有頻率有關，也和安裝方式有關。安裝諧振頻率的計算公式如下為：
加速度計可視為一個諧振器，諧振的放大作用如圖8所示。放大作用最大的點在fr頻率點，但在低于fr的頻率上也有放大作用。3dB 頻率點受單自由度系統的等效阻尼的影響，根據經驗法則，該頻率是諧振頻率的一半。通常可用的頻率范圍的上限取為信號放大5% 或10%的頻率點。
諧振器起到一個二階低通濾波器的作用，其傳遞函數是
式中，Q表示諧振器的“增益因子"，實質是結構損耗因子的倒數。加速度計很少給出Q的數值，這個值通常在50~100的范圍內。圖10顯示了這種濾波器的幅頻和相頻響應。在低頻部分，對輸入信號有一個單位增益（即無影響），在諧振頻率及附近，有放大作用。在諧振頻率之上，信號也會產生180度的相位翻轉。
圖10 二階低通濾波器的幅頻和相頻響應
接下來，用一個由寬帶噪聲和純音（500Hz）構成的假想信號通過低通諧振濾波器。有無濾波兩種情況的對比見圖11。可見，在時域和頻域圖中，諧振的放大作用都很明顯，和加速度計的響應相似。
圖11 低通諧振濾波器對信號的影響
3. 使用參數表，了解傳感器的測量限值
雖然決定加速度計的可用線性范圍的因素很復雜，但在加速度計的參數表里列出了我們以上所講的各項線性范圍，如圖12、13所示。根據這個參數表，可以很容易地將測量控制在線性范圍內。
現在，我們比較PCB®生產的353C03 （通用型） 和393B31（地震型，高靈敏度）兩種加速度計的參數。首先，注意兩種加速度計的靈敏度分別為10 mV/g 和10 V/g，相差100倍，差異巨大。這是由于ICP®電路中放大器的參數不同，以及加速度計中的移動質量不同（地震型加速度計使用的質量更大，從而擠壓晶體產生的電荷更多）。
圖12顯示了決定測量幅值上限和下限的參數。量程為電源允許的+/- 5 V除以傳感器的靈敏度（V/g）。393B31能測量的加速度的峰值僅為0.5 g，而353C03 通用型加速度計的量程則為500g。但是，393B31的幅值下限為1grms，要遠小于353C03的500 g rms，從而能夠測量更小的振動。參數表通常也提供特定頻率下的譜下限（本底噪聲）。可以看到，地震型加速度計的本底噪聲遠低于通用型加速度計，這也是在意料之中。
圖12 參數表中決定幅值上下限值的參數
影響頻率限值的參數見圖13。放電時間常數（DTC）決定了RC電路的頻率下限。電阻越大，頻率下限越低（需要記住的是，大電阻也會增大低頻本底噪聲）。地震型加速度計的DTC要大的多，從而能夠更好地測量低頻成分。諧振頻率決定了可用頻率范圍的上限，通常取為諧振頻率的20%。地震型加速度計的諧振頻率要低得多。
圖13 參數表中決定頻率上下限值的參數
4 結論
綜上，ICP®加速度計是復雜的機電系統，包括：
（1）彈簧-質量振子，產生變化的電荷；
（2）簡單的RC電路，將電荷轉化為電壓，并增加放電時間；
（3）放大器，設置傳感器的靈敏度（多少V/g）；
（4）電壓范圍為18-30 VDC的恒流源電源。
這些機械和電子參數有效確定了傳感器在幅值和時域（頻域）上線性響應的上下限。RC電路建立了加速度計在幅值和頻率上線性響應的下限。增大電阻將增高低頻背景噪聲和寬帶分辨率（能夠測量的最小信號）。反之，減小電阻將提高可測量頻率的下限。因此，加速度計中使用的電阻是綜合考慮背景噪聲和ICP®的RC電路的高通濾波的截止頻率而確定的。放大器和電源供電電壓的范圍決定了幅值的上限，通常為+/- 5 V。最后，振蕩質量和晶體決定了諧振頻率，以及信號將被顯著放大的頻率上限。
超過這些限值，將可能產生以下影響：
（1）造成削波和信號衰減（幅值超過+/- 5 V時）；
（2）信號不能被測量（信號幅值低于本底噪聲）；
（3）高通濾波器對低頻信號造成衰減；
（4）高頻時由于內部諧振對信號放大。
根據廠家提供的加速度計參數表，可以很容易地將測量控制在加速度計許可的（幅值和頻率）線性范圍內。
STELLAR TECHNOLOGY壓力傳感ST1500-15000G-228
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