ICP傳感器系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

吳付崗 孟念湘 張 瑛 魏建玲 王彩霞

壓電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(gè)前置放大器將傳感器的高阻抗輸出信號轉(zhuǎn)換為低阻抗信號。外置的前置放大器可分為電壓放大器與電荷放大器兩種，電壓放大器雖然結(jié)構(gòu)簡單，線性度和穩(wěn)定性好，但它的靈敏度受電纜分布電容的影響，當(dāng)連接電纜長度發(fā)生變化時(shí)，電壓靈敏度也會隨之發(fā)生變化。電荷放大器的靈敏度雖然受電纜分布電容的影響很小，但電纜受到振動和彎曲時(shí)，電纜芯線和絕緣體之間、絕緣體和金屬屏蔽層之間由于相對移動摩擦產(chǎn)生靜電荷，會造成電纜噪聲。這些都給測試工作帶來了麻煩。

ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)傳感器就是指內(nèi)置集成電路的壓電傳感器。與外置前置放大器的壓電傳感器相比，它可以克服以上缺點(diǎn)。典型的ICP系統(tǒng)通常采用恒流源供電，供電電纜同時(shí)做為信號輸出線，輸出低阻抗信號。整個(gè)系統(tǒng)包括ICP傳感器，普通的雙芯電纜和一個(gè)不間斷電源，所有的ICP系統(tǒng)都需要一個(gè)不間斷電源為ICP傳感器提供恒定的電流。

ICP傳感器的高頻響應(yīng)通常受三個(gè)因素的限制：傳感器的固有頻率、內(nèi)置放大器的類型以及傳輸電纜。ICP傳感器的低頻響主要考慮兩個(gè)因素：一是傳感器的放電時(shí)間常數(shù)；另外一個(gè)因素則是信號適調(diào)器的耦合電容。如果信號輸出采用直流耦合方式，則低頻響應(yīng)只決定于傳感器的放電時(shí)間常數(shù)，但直流耦合會帶來零漂問題，因此大多數(shù)信號適調(diào)器都采用交流耦合。

為了改善加速度傳感器的低頻性能，出現(xiàn)了在硅片上蝕刻的單片集成加速度傳感器。這種傳感器具有良好的低頻性能，有的還可以測量靜態(tài)加速度。選擇AD公司的ADXL105芯片制作了一種測試較低頻率的加速度傳感器，其輸出阻抗小于10W ，有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。傳感器頻響范圍為5Hz~1kHz，1kHz以上的頻響變差，傳感器的諧振頻率約為在5kHz。

由于ADXL105既可以測量動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度（如慣性力、重力），因此也可以進(jìn)行角度測量。對制作的傳感器我們也進(jìn)行了角度響應(yīng)測試。ADXL105還帶有一個(gè)片上溫度傳感器，這對改善傳感器在變溫場環(huán)境下的測試性能及解決溫漂問題提供了有利條件。ADXL105片上溫度傳感器的輸出靈敏度為8mV/ oC。利用自制傳感器對在變溫場環(huán)境下的加速度測量進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，測量數(shù)據(jù)有較好的重復(fù)性，這使得利用智能傳感/變送器系統(tǒng)解決溫漂和變溫場測量成為可能。

利用ADXL105具有片上溫度傳感器所測得的溫度值，通過曲面擬合算法，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題。在考慮溫度和加速度兩個(gè)因素時(shí)，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(shù)，即U=f (Ua , Ut)，利用二次曲面擬合方程即二維回歸方程來表示，則可以寫成U=a 0+a 1Ua+a 2Ut+ a 3Ua2+a 4UaU1+a 5Ut2+e 1，a 0 ~ a 5為待定系數(shù)，e 1是高階無窮小。

在量程范圍內(nèi)確定n個(gè)加速度標(biāo)定點(diǎn)，m個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)，于是可得到n×m個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)，可根據(jù)這n×m個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)來確定回歸方程的系數(shù)。為確定二次曲面擬合方程待定系數(shù)，通常采用zui小二乘法原理，使求得的系數(shù)值滿足均方差zui小的條件。

由二次曲面擬合方程計(jì)算得到的U（Ua，Ut）值與標(biāo)定值Uk之間存在誤差，其方差可表示為D k2=[Uk - f (Ua，Ut)]，共有n×m個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，其均方差

要使R值zui小，根據(jù)多元函數(shù)求極值的條件，可令下列各偏導(dǎo)數(shù)為零，將其聯(lián)立方程組，根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則可求得系數(shù)a 0~a 5，由此可以確定二次曲面擬合方程。