低頻壓電加速度傳感器的噪聲特性及信號(hào)處理方法研究.pdf

1、壓電加速度計(jì)作為測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的傳感器，在汽車(chē)制造、航天工程等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，對(duì)振動(dòng)信號(hào)、尤其是對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)的精確獲取及處理的精度要求越來(lái)越高。由于傳統(tǒng)的壓電加速度計(jì)應(yīng)用范圍窄，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法對(duì)低頻、微弱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高精度的測(cè)量，目前對(duì)低頻、微弱振動(dòng)信號(hào)的高精度測(cè)量仍然是國(guó)內(nèi)外研究人員所面臨的難題。本文通過(guò)對(duì)壓電加速度計(jì)本底噪聲的研究，分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采取相應(yīng)降噪措施，研制出IEPE(Integrated E

2、lectronics Piezoelectric)壓電加速度計(jì)。其具有頻率響應(yīng)范圍寬、靈敏度高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于微弱信號(hào)的測(cè)量領(lǐng)域。該研究對(duì)于確保被測(cè)信號(hào)不被加速度計(jì)的本底噪聲所淹沒(méi)，從而對(duì)提高壓電加速度計(jì)的精度和靈敏度具有十分重要的意義。
　　論文針對(duì)壓電加速度計(jì)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，以IEPE加速度計(jì)為代表，研究了壓電加速度計(jì)的本底噪聲特性，通過(guò)建立噪聲模型，設(shè)計(jì)出壓電加速度計(jì)的低噪聲系統(tǒng)。主要完成了以下工作：
　　(1)

3、基于壓電效應(yīng)，推導(dǎo)出圓柱型陶瓷材料的壓電方程，研究壓電加速度計(jì)的工作機(jī)理。基于壓電材料的種類(lèi)，研究表征壓電材料的性能參數(shù)。根據(jù)壓電元件的結(jié)構(gòu)和位置，分析各種類(lèi)型的壓電加速度計(jì)（即：壓縮型、剪切型和彎曲型）的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)IEPE加速度計(jì)的組成結(jié)構(gòu)及供電方式的研究，發(fā)現(xiàn)封裝的結(jié)構(gòu)形式具有很高的抗電磁感應(yīng)和抗高溫能力。其兩線制的工作方式由于不受熱電偶的影響，因此溫漂小，易于分散采集，便于集中控制，從而提高了加速度計(jì)的抗干擾性和測(cè)量精度。

4、>　　(2)基于噪聲基本理論和特性，研究壓電加速度計(jì)的噪聲來(lái)源。壓電變換器內(nèi)部噪聲包括機(jī)械諧振系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械熱噪聲和壓電元件產(chǎn)生的電熱噪聲。為分析壓電變換器內(nèi)部的噪聲種類(lèi)，研制IEPE加速度計(jì)的電荷放大器，建立各種噪聲模型。在對(duì)T型偏置網(wǎng)絡(luò)的噪聲的分析中，運(yùn)用Y-△變換原理，從而減小了建模難度。同時(shí)基于該噪聲模型推導(dǎo)出本底噪聲譜密度表達(dá)式，為壓電加速度計(jì)低噪聲設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　(3)對(duì)研制的低噪聲IEPE加速度計(jì)電荷放大器

5、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)電路的幅頻特性和低頻截止頻率進(jìn)行性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)電路的噪聲特性的實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與噪聲譜密度表達(dá)式的理論值相比較，驗(yàn)證了理論公式的有效性。對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，并采集樣機(jī)輸出的噪聲波形，分析噪聲的功率譜。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和噪聲譜密度公式的對(duì)照結(jié)合，總結(jié)出低噪聲加速度計(jì)的技術(shù)要求。
　　(4)基于小波分析理論，對(duì)加速度計(jì)輸出的信號(hào)進(jìn)行去噪處理。針對(duì)傳統(tǒng)小波變換的不足，研究基于小波形態(tài)學(xué)的加速度傳感器信號(hào)去噪方