摘 要:设计了压电加速度计的机械结构,推导了加速度计的X,Y,Z方向的特性方程,给出了三自由度的频响测试结果。采用光纤传输和同步检波的方法,有效地消除了噪声干扰。
1 引言
压电加速度计是测振领域中应用最多的加速度计,因为它灵敏度高,二次仪表简单,理论与技术成熟[1]。但在某些特殊的应用场合和要求,譬如对海上钻井平台、地震、大型基础构件等振动加速度的测量,需要对其空间特性进行描述,并且在绝缘条件下进行,传统的压电加速度计已不能胜任[1～3]。为此设计了这种光纤三维空间压电加速度计。
2 系统组成与工作原理
2.1 系统组成
系统组成如图1所示。图中,压电传感器给出三维加速度信号经电光转换后由50 m多模阶跃型光纤传输至光电转换器恢复成电信号,再经锁定放大器处理后,输出显示。
2.2 压电传感器构成与原理
传感器主要由压电元件、固定在压电元件上大敏感质量块、电荷放大器以及LED组成(图2)。传感器中,采用低粗糙度多块PZT与压电陶瓷片叠成叠片组,一组由压缩型片堆叠,用来测量z轴(垂直方向)振动加速度信号,另两组由剪切型片堆叠,用来测量x轴和y轴的振动加速度信号。
传感器机械结构可等效为图3所示的三维力学模型,根据ΣF=ma a=x″+y″+z″有
式中 x0、y0、z0为质量块的三轴向绝对位移;X、Y、Z为质量块相对基座的各向相对位移;K为刚度系数;C为阻尼系数;FKX、FKY、FKZ为弹性力在X、Y、Z向的投影;FCX、FCY、FCZ为阻尼力在X、Y、Z向的投影。
设三轴向弹性变形分别为Δx、Δy、Δz,质量块所受各向弹性力分别为k1Δx、k2Δy、k3Δz,根据图3所表达的力学模型,式(1)可变换为
因为压电元件的弹性模量很大,振动加速度引起的相对位移很小,约束方向变形与自由度方向变形相比可以忽略[3,4]。因此,这种力学结构可近似三个互无影响的单自由度质量——弹簧系统的集合[4]。以Z方向为例,其方程解的形式为
式中 Am为强迫振动幅值;ωz为Z方向振动角频率;ωzn为Z方向固有谐振角频率;φz为Z方向初相角;ζz=Cz/ωzn。
因为压电加速度传感器的质量块与壳体间相对位移很小,压电元件受力变形在线性弹性范围内满足
Fz=Kzz (4)
根据压电效应原理,在一定条件下,压电陶瓷受力变形产生的电荷量Qz与作用力Fz成正比,即
Qz=ndijFz (5)
式中 n为压电陶瓷片数;dij为压电系数。用SQ表达电荷灵敏度,并推广到各个轴向,最后得到各向电荷灵敏度的幅频特性
式中d24、d33为压电系数。从式中可看出各向电荷灵敏度的大小及其频率的灵敏系数取决于传感器的结构、压电材料的各向压电特性以及惯性质量块质量等因素[5],仅从压电系数上看,由于X、Y方向压电陶瓷片工作于剪切状态,其压电系数为d24,而Z向工作在压缩模式,其压电系数为d33。对于PZT与压电陶瓷d24>d33,所以X、Y向的电荷灵敏度比Z向的要大,这一点已由实验得到验证。另外,传感器Z向压电陶瓷叠片产生纵向变形,而X、Y向压电陶瓷叠片则产生横向变形,由于纵向弹性模量E大于横向模量G,因此有kx=ky
2.3 光纤传输实现
由于传感器产生的电荷信号经电荷放大器放大处理驱动GaAsP型LED,LED产生相应的光信号由光纤传输再由探测器PD接收(图4)。
图中LED的峰值波长为800 nm,输出功率为500μW,传输光纤为阶跃型石英光纤。调整R*i,使I=VT/R*i电流在50～100 mA范围内,保证LED工作在线性工作区。光探测器PD为高功率的PIN 硅光电二极管,其峰值波长为850 nm,灵敏度为0.55A/W,光电流上升时间为1 ns,截止频率为500MHz,最大暗电流为5 nA,这些指标满足工程测试的要求。
3 压电加速度计的消噪技术
一般的信号处理过程都采用滤波的方式来提高处理精度和稳定性,但当信号和噪声的频带重叠或噪声的幅值比信号大时,仅用滤波就无能为力了。本研究针对系统的特点和测量对象提出了同步检波的方法,对解决低频微振信号的处理比较有效。图5给出了同步检波电路。
当信号和噪声频带重叠时,对信号频率进行调制,将其移到别的频带上,再用同步检波法分离出信号来,如图5所示,假定调制信号为S(t)cosωt(S(t)为压电加速度计的测量信号),将与该信号同频率信号Rcos(ωt+φ)作为标准信号加在同步检波器上,同步检波器的输出为
用低通滤波器消除2ω的交流成分,则只剩下右边第一项,调整φ使输出信号达到最大(即求出标准信号与测量信号的最大相关值)。如果存在其他频率或不规则噪声,利用三角函数的正交特性,通过低通滤波器可以消除噪声。其效果如图6所示。
4 实验研究
所研究的压电加速度计在两套装置上做了频响实验,0.01～10 Hz在低频摆台实验;11～5 000 Hz在加速度计标定台测试,其结果见表1。
以实验样机对某油田钻井平台振动加速度进行测量,得到的结果如图7所示。
5 结论
采用光纤传输内装电荷放大器的三维压电加速度计不仅提高了加速度计的低频响应(低频下限可达0.03 Hz),而且使被测量的传输不受各种非测量信号干扰的影响,扩展了压电加速度计在超高压电力系统、易燃易爆禁电区等特殊场合下的应用。
传感器的力学系统采用剪切、压缩复合式单质量块结构,有利于减小与各向对应的横向灵敏度,采用同步检波法消除温度、声波干扰,提高了测量精度。
参考文献:
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本文作者：李志全 张洪礼 李重真 童 凯
