一种新型的冲击加速度测量系统设计

　　0引言

　　自1880年两位法国科学家J.Curie和P.Curie在研究石英晶体时发现材料的压电现象以后，在材料学界便引发了一场压电材料研究热。经过一百多年的发展，压电材料的种类已经由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器。目前，常用于测量加速度的传感器主要有压电式传感器和压阻式传感器，相对而言，压电式传感器在温漂方面性能更好，另外压电式传感器具有独特的优点：工作频率范围宽(可从几赫兹到几百兆赫)、动态范围大、频响时间快、灵敏度高、温度稳定性好(-20℃～+150℃)。

　　本测量系统正是基于上述压电式传感器的优点和用户实际的需求，提出了新的设计方案，实现了频带宽、灵敏度高、工作可靠和重量轻等优点。

　　1 工作原理

　　压电式传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器，其中压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变，包括弯曲和伸缩形变时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。如图1所示。

　　压电晶体是人工极化陶瓷材料，这种材料按不同的晶格方向切割做成压电晶体片时，具有不同的压电效应，只对单轴向受力敏感。敏感质量是附加质量块，它和压电晶体构成传感器的敏感芯体，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比的力，并加载到压电晶体上。

　　系统工作原理如图2所示。测量系统工作时，压电式传感器安装在待测物体上，传感器外接信号变换器。当待测物体受到冲击产生加速度时，传感器产生压电效应，将加速度转换为电荷量，通过高精度电荷放大器将电荷量变换为电压量，再经信号调理电路处理后得到与被测加速度成比例的电压输出。

　　2 变换器调理电路设计

　　调理电路器件主要有高精度运算放大器TL062ID、低通滤波器MAX7410和电源模块KDY-24D1212。

　　2.1 放大电路设计

　　高精度运算放大器TL062ID在调理电路中起信号转换放大、控制低频和电压偏置作用，如图3所示。

　　在电路中，Vi为传感器信号输入，运算放大器U1A部分将传感器输入的电荷信号转换为电压信号;反馈电容C2依据计算公式Q=CU可以改变，用于信号放大和调节电压大小;电容C3起“隔直通交”作用，隔断运算放大器U1A部分自身产生的直流信号，导通传感器并转换后的交流信号，同时控制输出信号的下限频率。