IEPE加速度传感器动态特性分析与实验研究

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压电加速度传感器在工程领域应用非常广泛,其输出电荷信号微弱,由于材料、结构和环境的影响,严重降低了加速度的动态测量精度。IEPE加速度传感器(Integral Electronics Piezoelectric Sensor)是指内置了信号处理电路的压电加速度传感器。本文在研究压电加速度传感器的动态特性的基础上,设计了一种低噪声、宽频带的IEPE电路,研制了IEPE加速度传感器,该传感器在低噪声、高精度、宽频带加速度测量领域具有广阔的应用前景。在研究IEPE加速度传感器工作原理基础上,分析了传感器IEPE接口电路的输入输出特性,设计了低噪声、宽频带的IEPE电路;探索了IEPE加速度传感器各个部分对传感器工作频率的影响机理,并推导了IEPE电路的截止频率;在分析IEPE加速度传感器的主要噪声来源和产生原因的基础上,建立了电路噪声模型,演绎了IEPE加速度传感器输出噪声解析表达式;研制了适配IEPE加速度传感器的信号调理器,并开展了幅频特性和噪声特性实验,验证了IEPE加速度传感器动态特性分析的正确性。本文主要研究工作包括:(1)研究了IEPE加速度传感器的幅频特性。根据传感器机械结构、压电元件参数和IEPE电路的工作原理,分析了它们对幅频特性的影响原理,推导计算其上、下限截止频率,确认影响传感器幅频特性的主要因素,并对IEPE压电传感器工作频带设计提供理论基础。(2)研究了IEPE加速度传感器的噪声特性。根据传感器的结构和工作原理,分析了传感器各组成部分噪声产生的原因,并建立噪声模型,推导计算各部分噪声的功率谱密度;研究了噪声的基本理论,分析了各部分噪声的相关性,并研究了系统总噪声解析式,用于指导传感器的低噪声设计。(3)研制了IEPE加速度传感器信号调理器。结合IEPE传感器放大器标准,研究了IEPE加速度传感器的电流激励和电压输出特性,设计并制作了具有恒流源激励、增益放大、归一化放大、高低通滤波、状态监控指示等功能的IEPE加速度传感器信号调理器;该信号调理器能够精确调整恒流激励、工作频带和增益放大,并对工作状态进行指示,满足IEPE传感器的测量实验要求。本文研究了IEPE加速度传感器的幅频特性、噪声特性,提高了该传感器的动态特性,为研制IEPE加速度传感器提供了理论指导。
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