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吳付崗 孟念湘 張 瑛 魏(wèi)建玲 王彩霞
壓電(diàn)加速度 傳感器 在振動與沖擊測試中應(yīng)用，但由于壓電 傳感器 的壓敏元件具有很高阻抗，需要一個前置放大(dà)器将 傳感器 的高阻抗輸出信号轉換爲低阻抗信号。外(wài)置的前置放大器(qì)可分爲電(diàn)壓放大器與電荷(hé)放大器兩種，電壓放大器雖然結構簡(jiǎn)單，線性度和穩(wěn)定性好，但它的靈敏度受(shòu)電纜分布(bù)電容的影響(xiǎng)，當連接電纜長度發生變化時，電壓靈敏(mǐn)度也會(huì)随之發生(shēng)變化。電荷放大器的靈敏度雖然受電纜分布電容的(de)影響很小，但電纜受到振動和彎(wān)曲時，電纜芯線和絕緣體之間、絕緣體(tǐ)和金屬屏蔽層之間由于相對移動摩擦産生(shēng)靜電荷(hé)，會造成電纜噪聲。這些都給測試工作帶來了麻煩。
ICP(Integrated Circuits Piezoelectric) 傳(chuán)感器 就是指内置集成電路的壓電 傳(chuán)感器 。與外置前(qián)置放大器的壓電 傳感器 相比，它可以克服以上缺點。典型的ICP系統通(tōng)常(cháng)采用恒流源供電(diàn)，供電電纜同時做(zuò)爲信号(hào)輸出線，輸出低阻抗信(xìn)号。整個系統包括ICP 傳感(gǎn)器 ，普通的雙芯電纜和(hé)一個不間斷電源，所有的(de)ICP系統(tǒng)都需要一個不(bú)間斷電源爲ICP 傳感器 提供恒定的電流。
ICP 傳感器 的高頻響應通常受三個因(yīn)素的限(xiàn)制： 傳感器(qì) 的固有頻率、内置放大器的類型以(yǐ)及傳輸電纜。ICP 傳感器 的低頻響主(zhǔ)要(yào)考慮兩個因(yīn)素：一是(shì) 傳感器 的放電(diàn)時間常數；另外一個因素則是信号适調器的耦合電容。如果信号輸出采用直流耦合方(fāng)式，則低頻響應隻決定于 傳感器 的放電時間常數，但直流耦合會帶來(lái)零漂問(wèn)題，因(yīn)此大(dà)多數信号适調器都采用交流耦合。
爲了改善加速度 傳感器 的低頻性能，出現了在矽片上蝕刻的單片集(jí)成加速度 傳感器 。這種 傳(chuán)感器 具有(yǒu)良好的低頻性能，有的還可以測量(liàng)靜态加速度。選擇AD公司的ADXL105芯片制作了一(yī)種測試較低頻率的加速(sù)度 傳感器(qì) ，其輸出阻(zǔ)抗小于10W ，有較強的驅動能力。 傳感器 頻響範圍爲5Hz~1kHz，1kHz以上的(de)頻響變差(chà)， 傳感(gǎn)器 的諧振頻率約爲(wèi)在5kHz。
由于ADXL105既可以測量動态加速度，也可以(yǐ)測量靜态加速度(dù)（如慣性力、重力），因此也可以進行(háng)角度測量。對制(zhì)作的 傳感器 我(wǒ)們也進行了角度響應測試。ADXL105還帶有一個片上溫度 傳感器 ，這(zhè)對改善 傳感器 在變溫場環境下的測試(shì)性能及(jí)解決溫漂問題提供了有利條件。ADXL105片上溫度 傳感器 的(de)輸出靈敏度爲8mV/ oC。利用(yòng)自制 傳感器 對(duì)在變溫場環境下的加(jiā)速度測量進行了試驗(yàn)，試驗表明，測量數據有(yǒu)較好的重複性，這使得利用智能(néng)傳感/變送器系統解決溫漂和變溫場測(cè)量成爲可(kě)能。
利用ADXL105具有片上溫度 傳感器 所測得的溫度值，通過曲面拟合算法，也就是二維回歸分析法來解決加速度 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(dù)兩個因素時， 傳感器 所測值U是加速度輸出Ua和溫度輸出Ut的二元函數，即U=f (Ua , Ut)，利用(yòng)二次曲面拟合方程即二維回歸方程來表示，則可(kě)以寫成U=a 0+a 1Ua+a 2Ut+ a 3Ua2+a 4UaU1+a 5Ut2+e 1，a 0 ~ a 5爲待定系數，e 1是(shì)高階(jiē)無窮小。
在量程範(fàn)圍内确定n個(gè)加(jiā)速度标定點，m個(gè)溫度标定點，于是可得到n×m個标定數據，可根據這n×m個(gè)标定數據(jù)來确定回歸方程的系數。爲(wèi)确定二次曲(qǔ)面拟合方程待定系數，通常采用zui小二乘(chéng)法原理，使(shǐ)求得的系數值滿足均方(fāng)差zui小的條件。
由二次曲面拟合方程計算得到的U（Ua，Ut）值與标定值Uk之間存在誤差，其方差可表(biǎo)示爲D k2=[Uk - f (Ua，Ut)]，共有n×m個标定(dìng)點，其均方差
要使R值zui小，根據多元函數求極值的條件，可令下列各偏導數(shù)爲零，将其聯立方程組(zǔ)，根據實驗标定(dìng)點的數據，則可求得系數a 0~a 5，由此(cǐ)可以(yǐ)确定二次曲面拟(nǐ)合方程。
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