賀德克傳感器：加速度傳感器與動(dòng)態(tài)測試技術(shù)簡析

賀德克加速度傳感器與動(dòng)態(tài)測試技術(shù)簡析賀德克傳感器：加速度傳感器與動(dòng)態(tài)測試技術(shù)簡析
近年來隨著航空、航天等各種工程技術(shù)的發(fā)展，越來越多的場合需要取得地動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，其中振動(dòng)、沖擊、壓力、聲強(qiáng)等參數(shù)的測量占有重要的地位。各種傳感器、信號適調(diào)儀、分析、記錄、處理儀器就是為了滿足這種要求而發(fā)展起來的，其中傳感器是獲得準(zhǔn)確、真實(shí)數(shù)據(jù)的*關(guān)。將所需測量的物理量轉(zhuǎn)換為便于測量的物理量是使用傳感器的目的。傳感器技術(shù)的發(fā)展一直是根據(jù)工程技術(shù)的需求，綜合考慮各種因素，兼顧各方面利害，選擇*的方案，因此不能認(rèn)為在任何情況下傳感器測得的數(shù)據(jù)都是真實(shí)的。目前各種工程現(xiàn)場的測量條件變得越來越惡劣，往往是多種物理量同時(shí)作用到傳感器上，所以根據(jù)所處環(huán)境選擇傳感器至關(guān)重要。例如測量振動(dòng)的加速度傳感器同時(shí)也會受到強(qiáng)沖擊、強(qiáng)磁場、強(qiáng)閃光、突變溫度、強(qiáng)烈噪聲、巨大應(yīng)變等的影響。任何一種傳感器都是根據(jù)一定的物理效應(yīng)構(gòu)成的，如何使傳感器只對感興趣的物理量有響應(yīng)便成為一個(gè)尖銳的課題。
在傳感技術(shù)的發(fā)展過程中，敏感元件的制作技術(shù)起著決定的作用，正是由于各種鐵電材料的研制成功，高質(zhì)量硅應(yīng)變敏感元件、電容敏感元件的研制成功，硅片微細(xì)加工技術(shù)的成功，才使得有可能制成各種高質(zhì)量的新型傳感器。經(jīng)過多年的努力，目前已制成了采用不同原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝的多種傳感器供選用，今后隨著技術(shù)的發(fā)展，將會有更多的新型傳感器問世，付予其更多的功能，進(jìn)一步改善其性能。
今天，在振動(dòng)、沖擊測量方面，廣泛使用的是各種結(jié)構(gòu)型式的壓電式、集成電路壓電式、壓阻式和變電容式加速度傳感器。在動(dòng)態(tài)壓力測量方面，廣泛使用著擴(kuò)散硅膜片式壓力傳感器，它們均具有*的優(yōu)點(diǎn)。
壓電式加速度傳感器是一種自發(fā)式傳感器，其輸出電荷與所感受的加速度成正比。它具有度高、頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長、易于安裝、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。可以采用天然石英，經(jīng)過適當(dāng)切割構(gòu)成敏感元件，但靈敏度低，造價(jià)高。目前常用的是鐵電材料，這是一種經(jīng)過人工極化處理而具有壓電性質(zhì)的人工陶瓷，采用良好的配制燒結(jié)工藝可以得到很高的壓電靈敏度和工作溫度，經(jīng)過老化處理后可以保證長期溫度穩(wěn)定性，它易于制成各種形狀的敏感元件，已先后制成了各種結(jié)構(gòu)形式的加速度傳感器。單端壓縮式具有靈敏度高，共振頻率高的特點(diǎn)，適用于一般測量?；綦x壓縮式可把基座耦合的影響減到zui小，更適合于低振級的測量，也適合于安裝面上有應(yīng)變或溫度不穩(wěn)定的地方。環(huán)形剪切式具有尺寸小，重量輕的特點(diǎn)，適于測量沖擊或輕小結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)，因敏感元件與底座很好的隔離，故能有效地避開底座彎曲和噪聲的影響，因敏感元件只受剪切作用，就減小了熱釋電效應(yīng)。中心孔安裝環(huán)形剪切式可任意選定接線方向。隔離剪切式采用了多塊晶體和無源補(bǔ)償片，提高了靈敏度，擴(kuò)寬了溫度范圍，保證了穩(wěn)定性，具有zui高的信噪比。
集成電路式壓電加速度傳感器的制成是微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展結(jié)果，在這種傳感器的殼體內(nèi)裝有微電子信號適調(diào)電路，因此做到了低阻抗輸出，輸出信號大，對電纜和接頭帶來的干擾信號很不敏感，對各種環(huán)境因素不敏感，用一根雙線電纜或兩根塑料皮絞合線可同時(shí)起到供電和傳輸信號的作用，使用長電纜也不會降低靈敏度，不會增加噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，且改善了性能，特別適用于各種工程現(xiàn)場和需要遠(yuǎn)距離測量的地方，對靈敏度高的甚至可以直接接記錄儀器，使用方便。Endevco稱這種傳感器為ISOTRON,下圖為等效電路圖。
下圖所示的是新式的壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，它是由整塊硅晶體制成的。它以硅壓阻應(yīng)變片作為敏感元件，這實(shí)際上是一塊固定的硅電阻，其電阻的變化與所承受的機(jī)械應(yīng)力成正比。這可以由體積很小的整體硅片經(jīng)過微細(xì)加工制成，因此又稱為整體式傳感器，從而避開了把硅應(yīng)變片粘貼到懸梁臂上的老式結(jié)構(gòu)所帶來的機(jī)械連接不準(zhǔn)確的影響。壓阻式加速度傳感器在電路中構(gòu)成為惠斯登電橋，產(chǎn)生與振動(dòng)加速度成正比的電信號。由于是配對使用，所以保證了在不同的溫度條件下輸出的穩(wěn)定性。
這種傳感器的特點(diǎn)是能測量頻率低到直流的信號而不會產(chǎn)生相位失真。它的輸出阻抗低，輸出電平高，內(nèi)在噪聲低，對電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于信號適調(diào)。某些壓阻式加速度傳感器的靈敏度高到足以直接驅(qū)動(dòng)記錄儀。它對底座應(yīng)變和熱瞬變不敏感，在承受大沖擊加速度作用時(shí)沒有零點(diǎn)飄移，可以用翻轉(zhuǎn)法進(jìn)行標(biāo)定，因此廣泛地用于低頻振動(dòng)和持續(xù)時(shí)間長的沖擊測量中，例如運(yùn)輸過程中振動(dòng)和沖擊的測量、包裝試驗(yàn)、沖擊波研究、汽車碰撞試驗(yàn)、模態(tài)分析、顫振研究、生物醫(yī)學(xué)現(xiàn)象的研究中。
變電容式加速度傳感器是采用另一種物理原理制成的硅加速度傳感器，與壓阻式的相比，它有更高的靈敏度和抗環(huán)境振動(dòng)和沖擊的能力，對溫度不敏感，穩(wěn)定性好，線性度高。描述上訴各種加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)是：靈敏度、幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)、安裝共振頻率、橫向靈敏度、幅值非線性等。