吳付崗 孟念湘 張 瑛 魏建玲 王彩霞

壓電加速度傳感器在振動(dòng)與沖擊測(cè)試中應(yīng)用，但由于壓電傳感器的壓敏元件具有很高阻抗，需要一個(gè)前置放大器將傳感器的高阻抗輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為低阻抗信號(hào)。外置的前置放大器可分為電壓放大器與電荷放大器兩種，電壓放大器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度和穩(wěn)定性好，但它的靈敏度受電纜分布電容的影響，當(dāng)連接電纜長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，電壓靈敏度也會(huì)隨之發(fā)生變化。電荷放大器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(dòng)和彎曲時(shí)，電纜芯線和絕緣體之間、絕緣體和金屬屏蔽層之間由于相對(duì)移動(dòng)摩擦產(chǎn)生靜電荷，會(huì)造成電纜噪聲。這些都給測(cè)試工作帶來(lái)了麻煩。

ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)傳感器就是指內(nèi)置集成電路的壓電傳感器。與外置前置放大器的壓電傳感器相比，它可以克服以上缺點(diǎn)。典型的ICP系統(tǒng)通常采用恒流源供電，供電電纜同時(shí)做為信號(hào)輸出線，輸出低阻抗信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)包括ICP傳感器，普通的雙芯電纜和一個(gè)不間斷電源，所有的ICP系統(tǒng)都需要一個(gè)不間斷電源為ICP傳感器提供恒定的電流。

ICP傳感器的高頻響應(yīng)通常受三個(gè)因素的限制：傳感器的固有頻率、內(nèi)置放大器的類(lèi)型以及傳輸電纜。ICP傳感器的低頻響主要考慮兩個(gè)因素：一是傳感器的放電時(shí)間常數(shù)；另外一個(gè)因素則是信號(hào)適調(diào)器的耦合電容。如果信號(hào)輸出采用直流耦合方式，則低頻響應(yīng)只決定于傳感器的放電時(shí)間常數(shù)，但直流耦合會(huì)帶來(lái)零漂問(wèn)題，因此大多數(shù)信號(hào)適調(diào)器都采用交流耦合。

為了改善加速度傳感器的低頻性能，出現(xiàn)了在硅片上蝕刻的單片集成加速度傳感器。這種傳感器具有良好的低頻性能，有的還可以測(cè)量靜態(tài)加速度。選擇AD公司的ADXL105芯片制作了一種測(cè)試較低頻率的加速度傳感器，其輸出阻抗小于10W ，有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。傳感器頻響范圍為5Hz~1kHz，1kHz以上的頻響變差，傳感器的諧振頻率約為在5kHz。

由于ADXL105既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也可以測(cè)量靜態(tài)加速度（如慣性力、重力），因此也可以進(jìn)行角度測(cè)量。對(duì)制作的傳感器我們也進(jìn)行了角度響應(yīng)測(cè)試。ADXL105還帶有一個(gè)片上溫度傳感器，這對(duì)改善傳感器在變溫場(chǎng)環(huán)境下的測(cè)試性能及解決溫漂問(wèn)題提供了有利條件。ADXL105片上溫度傳感器的輸出靈敏度為8mV/ oC。利用自制傳感器對(duì)在變溫場(chǎng)環(huán)境下的加速度測(cè)量進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，測(cè)量數(shù)據(jù)有較好的重復(fù)性，這使得利用智能傳感/變送器系統(tǒng)解決溫漂和變溫場(chǎng)測(cè)量成為可能。

利用ADXL105具有片上溫度傳感器所測(cè)得的溫度值，通過(guò)曲面擬合算法，也就是二維回歸分析法來(lái)解決加速度傳感器的溫度與加速度的交叉靈敏度問(wèn)題。在考慮溫度和加速度兩個(gè)因素時(shí)，傳感器所測(cè)值U是加速度輸出Ua和溫度輸出Ut的二元函數(shù)，即U=f (Ua , Ut)，利用二次曲面擬合方程即二維回歸方程來(lái)表示，則可以寫(xiě)成U=a 0+a 1Ua+a 2Ut+ a 3Ua2+a 4UaU1+a 5Ut2+e 1，a 0 ~ a 5為待定系數(shù)，e 1是高階無(wú)窮小。

在量程范圍內(nèi)確定n個(gè)加速度標(biāo)定點(diǎn)，m個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)，于是可得到n×m個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)，可根據(jù)這n×m個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)來(lái)確定回歸方程的系數(shù)。為確定二次曲面擬合方程待定系數(shù)，通常采用zui小二乘法原理，使求得的系數(shù)值滿足均方差zui小的條件。

由二次曲面擬合方程計(jì)算得到的U（Ua，Ut）值與標(biāo)定值Uk之間存在誤差，其方差可表示為D k2=[Uk - f (Ua，Ut)]，共有n×m個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，其均方差

要使R值z(mì)ui小，根據(jù)多元函數(shù)求極值的條件，可令下列各偏導(dǎo)數(shù)為零，將其聯(lián)立方程組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則可求得系數(shù)a 0~a 5，由此可以確定二次曲面擬合方程。