光纤空间压电加速度计及其消噪技术的研究

    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;F_KX、F_KY、F_KZ为弹性力在X、Y、Z向的投影;F_CX、F_CY、F_CZ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　A_m为强迫振动幅值;ω_z为Z方向振动角频率;ω_zn为Z方向固有谐振角频率;φ_z为Z方向初相角;ζz=C_z/ω_zn。

    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

F_z=K_zz          (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