1 引言
低噪、高灵敏且能进行真正静态测量的电容式加速度计(K-BEAM)是低幅、低频加速度测量的理想选择。电容式加速度计的热稳定性很好,温度漂移小到可被忽略。这对诸如建筑物,桥梁等大型结构超低频振动的精确测量是极其重要的。因其体积小且重量轻,电容式加速度计也是进行低频模态分析的有效工具。它对静态的响应和测量能力使其可被用做测倾仪。另外,对电磁干扰不敏感的特性使电容式加速度计尤为适于工业应用。
2 工作原理和设计特点
奇石乐公司的K梁式加速度计是一种带有电容半桥测量元件的电容式加速度计,它的敏感元件是一个非常小的惯性质量,由一个挠曲元件支撑。整个结构是在单片硅上用化学刻蚀的方法微加工而成,如图1所示。
当传感器不受加速度作用时(其敏感轴位于水平方向),惯性质量处于两个作为外部电极的硅板之间正中。在振动激励下,惯性质量偏离中心位置,使电容半桥产生与加速度大小相关的不平衡。电容半桥由高频交流电压激励,经过同步解调器产生与加速度成正比的输出电压信号。K梁式加速度计的工作原理如图2所示。
加速度计内惯性质量周围充满的气体为惯性质量和外部电极板之间的微小间隙提供了最佳阻尼,从而使K梁式加速度计在很宽的温度范围内产生平坦的频率响应。对称的结构设计使瞬变温度灵敏度降至最小。惯性质量的运动被限制在两个外部电极板之间,这为防止过大的加速度或冲击提供了过载保护。
3 电容式和压电式加速度计的比较
众所周知,压电式加速度计有很高的共振频率,因而其频率响应很宽。在幅值误差小于5%,相位误差小于5°时,压电式加速度工作频率可至数千赫。某些型号甚至可达25kHz。然而采用主动传感原理的压电式加速度计没有真正的静态响应能力。通常下限频率对于带内部阻抗变换器的加速度计来说是0.1～1Hz。带外部电荷放大器的石英加速度计的下限频率可低于0.1Hz,较大的相位误差亦出现在接近下限频率处。电容式加速度计采用被动传感原理,因而具有真正的静态响应。由于其优异的热稳定性,可用来作为测倾仪测量大型结构的稳定静态响应或超低频运动。所谓真正的静态响应能力也意味着在下限频率处没有相位误差。这对于诸如模态分析的多通道测量和对信号进行积分以获得速度和位移信号的应用是非常理想的。
电容式加速度计的上限频率(该处的相位误差小于10°)取决于测量范围,一般为300Hz～1000Hz,而传感器的安装共振频率通常为1～2kHz。
3.1 测量范围
电容式K梁式加速度计的测量范围为±1g至±50g。测量范围为±1g的型号具有最高的灵敏度,它非常适合于高精度的低频,低幅测量,而且价位适中。较高频率的测量应采用压电式加速度计。它们能测量高达±10,000g的振动和±100,000g的冲击。图3给出了电容式加速度计和压电式加速度计频率和振幅测量范围的比较。
3.2 工作温度范围
电容式加速度计的工作温度与带内部阻抗变换器的压电加速度计一样,通常大-55～125℃。未来的新型号可将温度上限提高到150℃。对于更高的温度要求,需要选用外接电荷放大器的石英加速度计(250℃左右)。如果工作环境高达700℃,则需应用电气石和特殊陶瓷材料的加速度计。
4 封装
如果没有很好的封装技术,再好的传感元件也不能发挥作用。封装的关键作用是隔绝环境影响和安装表面变形(基座应变)的机械绝缘。K梁式加速度计应用了特殊集成电路技术(ASIC)来保证传感器的性能和可靠性,且使所需空间最小。K梁式加速度计的内部结构如图4所示。
K梁式加速度计还可以作为OEM元件,用户很容易将它安装到自己的仪器中。表面安装型K梁式加速度计(图5)可直接安装在印刷电路板上。这种传感器可配外部或内部电子器件产生模拟输出或数字输出。
5 加速度计的安装
电容式加速度计的上限频率通常低于1kHz。与用于较高频率范围测量的压电加速度计相比,安装电容式加速度计的要求不那么严格。只需注意不要由于安装引入附加柔性而影响频率响应即可。这里推荐粘结(用胶或蜡)或螺栓安装。
在测量极低振幅时,要特别注意不要由电缆施力或激励被测结构振动。电容式加速度计能测量由重力引起的加速度,这一点很容易被忽视。测量时要考虑传感器相对于铅垂面的角度。传感器的输出总是被测加速度与重力加速度在传感器敏感轴方向上的分量之和。
6 如何选择合适的传感器
6.1 测量范围
所要测量的加速度峰值必须在传感器的测量范围内。低于100Hz的振动幅值通常小于20g。当使用量程为±2g的传感器时,要考虑根据传感器在重力场上的不同位置,测量时重力加速度可能会占去传感器的一半量程。
大多数K梁式加速度计的零位输出有一个偏值(比如+2.5V)。在整个测量范围内,输出电压信号总是保持正值。这个零偏值可用来监视传感器是否正常工作。
6.2 频响
因为K梁式加速计具有真正的DC响应,通常只需要考虑它的上限频率。由于K梁式加速度计的阻尼比压电式传感器高得多,频响函数在接近共振频率时上升得比较缓慢,因此在定义上限频率时一般采用频响函数上的-3dB点,而不是±5%点。
6.3 工作温度范围
要注意不能超出指定的工作范围,否则会导致较大的测量误差和损坏内置电路。
6.4 热稳定性
对于具有真正静态响应的传感器来说,热零点漂移和热灵敏度漂移这两个指标是非常重要的,尤其是当传感器被当作测倾仪使用或者是对加速度信号积分获得速度或位移信号的应用时。热零点漂移是传感器热稳定性的一个度量,通常是以%FSO/℃为单位表示(每单位温度变化引起的零位输出相应于满量程输出的百分比)。零位输出一般在整个工作温度范围内是变化的。特别是在上下温度极限附近。因此通常是针对大多数应用所涉及的一段工作温度区域给出一个较小的热零点漂移极限。电容式加速度计的热零点漂移小于±2mg/℃.在这个指标上,只有伺服式加速度计能超过电容式加速度计。热灵敏度漂移描述灵敏度随温度的变化,参考室温时的灵敏度,以%/℃为单位表示。K梁式加速度计是非常稳定的,其热灵敏度漂移小于±0.02%/℃。
6.5 传感器的重量
在测量振动时,在试验结构上安装加速度计会引起所谓附加载荷效应,特别是对轻型试验结构尤为严重。附加的传感器重量会改变试验结构的动态特性,因此加速度计的重量包括随加速度计一起运动的部分电缆的重量应该尽可能小。作为经验规则,加速度计的重量应小于被测结构重量的10%.一种实用的检验方法是:先安装传感器进行测量,然后再在结构上附加与传感器重量相同的质量块,进行第二次测量。如是两次测量结果有明显的或不能接受的差异,则应选择重量轻些的加速度计。
7 应用实例
7.1 太阳能板的损坏
当航天飞机接近空间站和人造卫星时,最重要的是要避免损坏太阳能板。它们可能会由于定位火箭推力气流引起的强烈振动激励而损坏。为了研究这个现象,在1994年9月美国航天飞机执行任务期间,在飞机上用一个机械臂固定了一块试验板,将其暴露在航天飞机定位火箭的喷射气流中。奇石乐的压力传感器和3个K梁式8302A2型加速度计被分别用来测量压力波和机械臂的自由漂移运动。根据已知的组件重量,可以计算出作用在试验板上的合力。装在机械臂上的传感器暴露在真空,承受着火箭喷射气流引起的辐射,离子气体和剧烈的温度变化。为防止过高温度引起损坏,使用了热绝缘罩保护传感器和信号适调器。
7.2 电梯运载舒适性
处于狭小电梯间内的人们对电梯升降时的不平稳和颤动特别敏感。先进的电梯控制可以作到使人感觉不到电梯的起动或停止。K梁式加速度计能精确地测出电梯速度的变化。因此被用来设计和改进电梯运行的控制。同时还可帮助维修工程师在电梯运行间歇时检查紧急制动系统,精确地测量制动时的最大减速度。
7.3 地下钻孔测量
现代钻机能以任意角度钻孔,不仅能沿直线而且还能沿曲线钻孔。当钻油井或在公路和建筑物下钻铺设电缆的暗沟时,必须知道整个过程中钻头的方向。这一应用要求传感器尺寸小,坚固和具有真正的静态响应。8352A型K梁式传感器可被用于钻直径仅为25mm的钻孔测量。
7.4 倾斜式火车
使用被动机械系统的倾斜式火车已在意大利和西班牙成功地运行。利用这种机械系统可以使火车在弯道上高速运行。目前欧洲铁路车辆制造商正在研制一种主动系统,不仅根据弯道半径,而且还考虑速度来控制火车的倾斜。这两个参数的共同效应可以通过测量侧向加速度这一个参数来确定。这是典型的低频线加速度测量。过去专为航空和航天应用而开发的伺服式加速度计现在已变得不大适用。因为那些传感器价格高,而且不够坚固,难以承受铁路车辆上的恶劣工况。K梁式加速度计抗冲击能力很强,且对电磁干扰不敏感。它的另一优点是横向灵敏度低(<±1%),因而在车辆测量时对除侧向以外的其它方向运动不敏感。
7.5 赛车
赛车手们希望有一个可靠的系统,能在轮胎开始失去对地面的附着力时向他们报警。因为这个时刻是赛车作回形滑行的开始,会导致失控,以致严重时造成车祸。K梁式加速度计被用来监测侧向加速度(图6),其敏感轴装在与塞车行驶方向垂直的方向上。根据加速度的突然变化能检测出滑行发生的开始。过量的滚动可以用分别安装在前部和后部的数个传感器测出。如果使传感器的敏感轴与行驶方向一致,可确定赛车所处的跑道位置。这是因为每个跑道都有与其弯道特点有关的加速度分布曲线。这些信息可以帮助检修人员比较赛车在跑道不同位置时的性能,调整赛车的悬挂系统,使赛车手掌握最佳的换档时间。这种高精度的加速度测量,使得利用积分获得可靠的速度和位移信号成为可能。
7.6 判定责任的证据
一个游客在游乐园乘坐太空车时扭伤了脖子。他控告这是由于游乐车的加速度过高,峰值达到数个g所引起的。法庭要求测量实际加速度值的大小,K梁式加速度计因具有低频测量能力而被选定用于检查。3个加速度计被装在那位游客曾坐过的太空车位置上进行测量。结果清楚地表明加速度的峰值在±2g以内,不会引起人体的伤害,从而驳回起诉。
8 结束语
电容式加速度计可用来进行压电加速度计所不能胜任的低频和真正静态测量。它是对压电式加速度计的补充。因而现在对于任何一种加速度,振动和冲击测量应用可从压电式或电容式加速度计中选到合适的传感器。当测范围小于±20g,频率在0.1～1000Hz时,这两种形式的加速度计都适用。在选择时需要考虑具体应用的特定要求。
对于象当测倾仪使用这类静态测量和极低加速度振幅的测量应用,特别是当需要将加速度信号积分成速度或位移信号时,K梁式加速度计可提供既经济且可靠的解决方法。这种加速度计具有极高的信噪比,真正的静态响应,极好的热稳定性和对电磁干扰不敏感的特点,另外体积小,重量轻的特点使它们可以直接安装在其它仪器或系统里。
本文作者：戴学斐
