賀德克傳感器：加速度傳感器與動態測試技術簡析

賀德克加速度傳感器與動態測試技術簡析賀德克傳感器：加速度傳感器與動態測試技術簡析
近年來隨著航空、航天等各種工程技術的發展，越來越多的場合需要取得地動態數據，其中振動、沖擊、壓力、聲強等參數的測量占有重要的地位。各種傳感器、信號適調儀、分析、記錄、處理儀器就是為了滿足這種要求而發展起來的，其中傳感器是獲得準確、真實數據的*關。將所需測量的物理量轉換為便于測量的物理量是使用傳感器的目的。傳感器技術的發展一直是根據工程技術的需求，綜合考慮各種因素，兼顧各方面利害，選擇*的方案，因此不能認為在任何情況下傳感器測得的數據都是真實的。目前各種工程現場的測量條件變得越來越惡劣，往往是多種物理量同時作用到傳感器上，所以根據所處環境選擇傳感器至關重要。例如測量振動的加速度傳感器同時也會受到強沖擊、強磁場、強閃光、突變溫度、強烈噪聲、巨大應變等的影響。任何一種傳感器都是根據一定的物理效應構成的，如何使傳感器只對感興趣的物理量有響應便成為一個尖銳的課題。
在傳感技術的發展過程中，敏感元件的制作技術起著決定的作用，正是由于各種鐵電材料的研制成功，高質量硅應變敏感元件、電容敏感元件的研制成功，硅片微細加工技術的成功，才使得有可能制成各種高質量的新型傳感器。經過多年的努力，目前已制成了采用不同原理、結構、材料、工藝的多種傳感器供選用，今后隨著技術的發展，將會有更多的新型傳感器問世，付予其更多的功能，進一步改善其性能。
今天，在振動、沖擊測量方面，廣泛使用的是各種結構型式的壓電式、集成電路壓電式、壓阻式和變電容式加速度傳感器。在動態壓力測量方面，廣泛使用著擴散硅膜片式壓力傳感器，它們均具有*的優點。
壓電式加速度傳感器是一種自發式傳感器，其輸出電荷與所感受的加速度成正比。它具有度高、頻響寬、動態范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長、易于安裝、穩定性好等特點。可以采用天然石英，經過適當切割構成敏感元件，但靈敏度低，造價高。目前常用的是鐵電材料，這是一種經過人工極化處理而具有壓電性質的人工陶瓷，采用良好的配制燒結工藝可以得到很高的壓電靈敏度和工作溫度，經過老化處理后可以保證長期溫度穩定性，它易于制成各種形狀的敏感元件，已先后制成了各種結構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，適用于一般測量。基座隔離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變或溫度不穩定的地方。環形剪切式具有尺寸小，重量輕的特點，適于測量沖擊或輕小結構件的振動，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。中心孔安裝環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償片，提高了靈敏度，擴寬了溫度范圍，保證了穩定性，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技術的發展結果，在這種傳感器的殼體內裝有微電子信號適調電路，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，結構簡單，造價低，且改善了性能，特別適用于各種工程現場和需要遠距離測量的地方，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構，它是由整塊硅晶體制成的。它以硅壓阻應變片作為敏感元件，這實際上是一塊固定的硅電阻，其電阻的變化與所承受的機械應力成正比。這可以由體積很小的整體硅片經過微細加工制成，因此又稱為整體式傳感器，從而避開了把硅應變片粘貼到懸梁臂上的老式結構所帶來的機械連接不準確的影響。壓阻式加速度傳感器在電路中構成為惠斯登電橋，產生與振動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定性。
這種傳感器的特點是能測量頻率低到直流的信號而不會產生相位失真。它的輸出阻抗低，輸出電平高，內在噪聲低，對電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于信號適調。某些壓阻式加速度傳感器的靈敏度高到足以直接驅動記錄儀。它對底座應變和熱瞬變不敏感，在承受大沖擊加速度作用時沒有零點飄移，可以用翻轉法進行標定，因此廣泛地用于低頻振動和持續時間長的沖擊測量中，例如運輸過程中振動和沖擊的測量、包裝試驗、沖擊波研究、汽車碰撞試驗、模態分析、顫振研究、生物醫學現象的研究中。
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境振動和沖擊的能力，對溫度不敏感，穩定性好，線性度高。描述上訴各種加速度傳感器動態特性的參數是：靈敏度、幅頻響應、相頻響應、安裝共振頻率、橫向靈敏度、幅值非線性等。