压电加速度计放大器饱和问题研究

高清毅，常璐璐

（PCB 压电传感器技术（北京）有限公司，北京 100027）

0 引言

压电加速度计可以测量很宽范围的振动和冲击，广泛用于测量领域。其中以（传感器）或者国际标准IEPE（其他厂家）压电原理的传感器内置集成微电子电路，由于其使用简单，可以在恶劣环境中长电缆传输信号无衰减，因此在测试测量和工业振动监测领域得到广泛认可；该电子电路把压电敏感元件产生的高阻抗的电荷信号转换为易于传输的低阻抗电压信号，转换过的信号再通过两芯屏蔽电缆或者同轴电缆连接到数据采集系统或者数据显示设备。

1 存在的问题

使用压电加速度计测量振动，过量程造成内置的放大器电路饱和是一个可能发生但是又容易被忽略的问题。在完成一次测试和数据评估后，测试工程师可能观察到采集的数据有明显的问题。有许多因素可能影响压电加速度计测量输出的数据，如传感器量程、测试输入振幅、测试输入频率成分和数据采集的采样频率等。例如：输入振幅大于传感器的可用量程，将造成放大器电路饱和；输入频率成分如果处于或接近于传感器的谐振频率，也可能造成放大器饱和；谐振频率处的高Q 因数将会导致传感器进入过载恢复状态，此时可能采集到无意义的数据（既使使用您的数据采集器进行后处理滤波）。放大器饱和情况下采集的典型数据如图1 所示，图1 中出现了指数式衰减。

图1 振动超过传感器量程后的测试波形

2 低通滤波电路的效果

内置单级或两级低通滤波的传感器将降低放大器饱和的概率，提高可用频率范围。低通滤波可以衰减（抑制）谐振频率处或接近谐振频率处产生的信号。这将抵消传感器在机械谐振处产生的增益（高Q 品质）因子（图2）。

图2 频响曲线比较（滤波器截止频率9 kHz）

3 对比测试

本测试强调了在任何应用中，为了获得准确数据，选择正确的采样率和传感器量程的重要性。

测试使用的PCB 加速度计有两种类型，型号分别为352C18（灵敏度10 mV/g，重2 g）和352C65（灵敏度100 mV/g，重2 g），分别安装到一个悬臂梁的末端（图3）。在悬臂梁的末端用力锤进行敲击提供阶跃输入。每个加速度计输出连接到数字示波器，采样率为2 kHz。型号352C18 连接到第二个示波器，采样率设置为2 MHz。

图3 测试设置

（1）图4 是2 s 内的输出，显示了352C65 信号峰值/饱和，之后指数衰减到零基线。这种类型的曲线表明，振动输入超过了加速度计的测试量程（50g），内部放大器饱和。352C65 输出的错误的峰值大约为150g 而352C18 输出显示真实峰值为325g。352C65 之所以产生低于实际峰值水平原因是内部放大器饱和，限制了它的最大输出（在典型的±5.0 V 线性范围内输出正常）。352C18 加速度计测量出的325g-pk 在额定的量程500g 内工作正常（±5.0 V 线性输出）。

（2）图5 是0.1 s 内的输出，较短的时间段内的波形用于说明当信号超过50g 量程后，352C65 的测量幅值水平与352C18的区别。型号352C65 产生的信号可能会与加速度计的不正常产生混淆，更糟糕的情况是，如果只看频域的数据，它可能会被完全忽略。

图4 加速度计输出信号（2 s）

图5 加速度计输出信号（0.1 s）

（3）图6 是采样率为2 kHz，352C18 和352C65 的输出波形；以及352C18 采样率2 MHz 的输出波形。2 MHz 数据显示了金属与金属（力锤与刚性梁）间的碰撞产生的高频信号。较低的2 kHz 采样率充当了原始数据上的滤波，减弱了测量输出的高频成分。2 MHz 数据在超过200g 处出有峰值输出，而在同一段内，此处2 kHz 最大输出刚刚超过100g。

图6 采样频率2 MHz 对比2 kHz

4 结论与建议

除了要保证仪器设备正常工作之外，为了获得准确、真实的振动数据，还需要关注数采器的采样频率和传感器的量程。其中，应该注意以下3 个原则：一是加速度计的量程必须足够；二是放大器饱和时会有指数衰减到零基线的过程；三是采样率偏低时，起到类似低通滤波的效果，可能会在时域波形上错失真正的峰值，导致研究人员忽略放大器饱和故障。

为了解决这类问题，可以采取以下两个措施：一是选择量程更大的加速度计；二是选用内置电子低通滤波电路的加速度计。