内置集成电路压电传感器系统应用

发布于：2006/3/31 9:57:14 | 1240 次阅读

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压电加速度传感器在振动与冲击测试中应用最为广泛，但由于压电传感器的压敏元件具有很高阻抗，需要一个前置放大器将传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗信号。外置的前置放大器可分为电压放大器与电荷放大器两种，电压放大器虽然结构简单，线性度和稳定性好，但它的灵敏度受电缆分布电容的影响，当连接电缆长度发生变化时，电压灵敏度也会随之发生变化。电荷放大器的灵敏度虽然受电缆分布电容的影响很小，但电缆受到振动和弯曲时，电缆芯线和绝缘体之间、绝缘体和金属屏蔽层之间由于相对移动摩擦产生静电荷，会造成电缆噪声。这些都给测试工作带来了麻烦。

ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)传感器就是指内置集成电路的压电传感器。与外置前置放大器的压电传感器相比，它可以克服以上缺点。典型的ICP系统通常采用恒流源供电，供电电缆同时做为信号输出线，输出低阻抗信号。整个系统包括ICP传感器，普通的双芯电缆和一个不间断电源，所有的ICP系统都需要一个不间断电源为ICP传感器提供恒定的电流。

ICP传感器的高频响应通常受三个因素的限制：传感器的固有频率、内置放大器的类型以及传输电缆。ICP传感器的低频响主要考虑两个因素：一是传感器的放电时间常数；另外一个因素则是信号适调器的耦合电容。如果信号输出采用直流耦合方式，则低频响应只决定于传感器的放电时间常数，但直流耦合会带来零漂问题，因此大多数信号适调器都采用交流耦合。

为了改善加速度传感器的低频性能，出现了在硅片上蚀刻的单片集成加速度传感器。这种传感器具有良好的低频性能，有的还可以测量静态加速度。选择AD公司的ADXL105芯片制作了一种测试较低频率的加速度传感器，其输出阻抗小于10W ，有较强的驱动能力。传感器频响范围为5Hz~1kHz，1kHz以上的频响变差，传感器的谐振频率约为在5kHz。

由于ADXL105既可以测量动态加速度，也可以测量静态加速度（如惯性力、重力），因此也可以进行角度测量。对制作的传感器我们也进行了角度响应测试。ADXL105还带有一个片上温度传感器，这对改善传感器在变温场环境下的测试性能及解决温漂问题提供了有利条件。ADXL105片上温度传感器的输出灵敏度为8mV/ oC。利用自制传感器对在变温场环境下的加速度测量进行了试验，试验表明，测量数据有较好的重复性，这使得利用智能传感/变送器系统解决温漂和变温场测量成为可能。

利用ADXL105具有片上温度传感器所测得的温度值，通过曲面拟合算法，也就是二维回归分析法来解决加速度传感器的温度与加速度的交叉灵敏度问题。在考虑温度和加速度两个因素时，传感器所测值U是加速度输出Ua和温度输出Ut的二元函数，即U=f (Ua , Ut)，利用二次曲面拟合方程即二维回归方程来表示，则可以写成U=a 0+a 1Ua+a 2Ut+ a 3Ua2+a 4UaU1+a 5Ut2+e 1，a 0 ~ a 5为待定系数，e1是高阶无穷小。

在量程范围内确定n个加速度标定点，m个温度标定点，于是可得到n×m个标定数据，可根据这n×m个标定数据来确定回归方程的系数。为确定二次曲面拟合方程待定系数，通常采用最小二乘法原理，使求得的系数值满足均方差最小的条件。

由二次曲面拟合方程计算得到的U（Ua，Ut）值与标定值Uk之间存在误差，其方差可表示为D k2=[Uk - f (Ua，Ut)]，共有n×m个标定点，其均方差要使R值最小，根据多元函数求极值的条件，可令下列各偏导数为零，将其联立方程组，根据实验标定点的数据，则可求得系数a 0~a 5，由此可以确定二次曲面拟合方程。

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