ICP加速度传感器恒定电流对其灵敏度的影响

计测技术计量、测试与校准·29·

ICP加速度传感器恒定电流对其灵敏度的影响

付茂岳，郭利利，刘敬敏，郭凯

（北京东方计量测试研究所，北京100086）

摘

要：在振动与冲击测试中，ICP加速度传感器应用较为广泛，而传感器灵敏度是其最基本的指标之一。

实际使用时，ICP加速度传感器通常都会配有信号调节仪，该调节仪为ICP加速度传感器提供恒定电流，不同的信号调节仪所提供的恒定电流也会有所不同。在不同恒定电流情况下，传感器灵敏度是否随之变化，如何变化？针对这一问题我们展开讨论。

关键词：ICP加速度传感器；恒定电流；灵敏度中图分类号：TP212.1；TB936

文献标识码：B

文章编号：1674－5795（2012）01－0029－04

ImpactofICPAccelerometerConstantCurrentonItsSensitivity

FUMaoyue，GUOLili，LIUJingmin，GUOKai

（BeijingOrientInstituteforMeasurement＆Test（BOIMT），Beijing100086，China）

Abstract：TheICPaccelerometersensoriswidelyusedinthevibrationandshocktest，andthesensitivityofthesensorisoneofthemostbasicparameters.Duringtesting，theICPaccelerometersensorsareusuallyequippedwithasignaladjustinginstrument.Thesignaladjustingin-strumentprovidesaconstantcurrentforthesensor.Theconstantcurrentsprovidedbydifferentsignaladjustinginstrumentswoulddiffer.Whetherthesensorsensitivitychangedswiththecurrentandhowitchangesarediscussedinthispaper.

Keywords：ICPaccelerometersensor；constantcurrent；sensitivity

0引言

压电加速度传感器在振动与冲击测试中应用最为广泛，但由于传感器的敏感元件具有很高阻抗，需要一个前置放大器将加速度传感器的高阻抗输出信号转换为低阻抗输出信号。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，电压灵敏度会随着连接电缆长度的变化而变化。电荷放大器的灵敏度虽然受电缆分布电容影响很小，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电荷，会造成电缆噪声干扰。

ICP（IntegratedCircuitPiezoelectric）加速度传感器与配接外置前置放大器的传感器相比，能很好地克。ICP加速度传感器是指拥有内置集成

电路的传感器，典型的ICP加速度传感器测量系统通服以上缺点

常采用恒流源供电，供电电缆同时作为信号输出线，输

收稿日期：2011－10－10；收修改稿日期：2012－01－05作者简介：付茂岳（1957－），男，研究员，硕士，从事力学计量研究。

［2］

［1］

出低阻抗电压信号，整个测量系统包括ICP加速度传

感器、普通的双芯电缆或同轴电缆、信号调节仪及显示或记录仪器。

在使用过程中，ICP加速度传感器所需的恒定电流是通过信号调节仪来提供的。在不同的恒定电流下，传感器灵敏度是否会随之变化？影响程度如何？传感器灵敏度与恒定电流的关系怎样？对测量数据的准确性有多大影响？本文通过在不同恒定电流下对ICP加速度传感器的灵敏度进行校准，研究不同的恒定电流对ICP加速度传感器灵敏度的影响。

1ICP加速度传感器及其灵敏度

ICP加速度传感器是内置电荷－电压转换器的低阻

抗压电式加速度传感器的简称，又称为IEPE（InternalElectronicPiezoelectric）加速度传感器。ICP加速度传感器采用与高阻抗电荷输出型传感器相同的压电敏感元件，压电元件产生的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出

［3］

。ICP加速度传

感器通常为二线输出形式，即采用恒定电流源供电，

直流供电和信号输出使用同一根导线。ICP加速度传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干

·30·计量、测试与校准

表1

2012年第32卷第1期

某型号数据采集卡、信号调节仪

恒定电流测试数据

通道1234

恒定电流/mA

数据采集卡

2.072.072.072.07

信号调节仪

3.994.024.003.97

扰能力强和远距离测量，且后置测量设备简单，价格低廉，在振动冲击测试中，ICP加速度传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

ICP加速度传感器等效电路与信号调节仪的基本组成如图1所示，该信号调节仪作为恒流源为ICP加速度传感器提供一个恒定电流I0，使得传感器能正常工作

。

从表1提供的数据可以看出，虽然ICP加速度传感器后可以连接很多仪器，但各种仪器给出的恒定电流还是有很大区别的，这必然导致同一支ICP加速度传感器连接不同的仪器时，传感器内部放大电路的工

q—压电元件产生的电荷量；Vi—输入电压；Vo—输出电压（偏置解耦）；Cq—传感器电容；Cr—量程电容；CG—MOSFET栅电容；Rt—时间常数电阻。

作状态将会不同，进而放大倍数不同。最终结果是：同一支ICP加速度传感器连接不同的仪器时，所得的测量数据却不同。通过研究ICP加速度传感器恒定电流对其灵敏度的影响，不仅有助于提高测试数据的准确性，而且对ICP加速度传感器的正确使用也有指导意义。

图1ICP传感器等效电路与信号调节仪

ICP加速度传感器输出电压为

Vo

q

Cq+Cr+CG

q

（Cq+Cr+CG）a

（1）

3传感器恒定电流对其灵敏度的影响

传感器电压灵敏度为

S=Vo/a=

（2）

要想得到ICP加速度传感器灵敏度是否受到恒定电流的影响，必须采用振动标准装置对传感器的灵敏度进行校准。

3.1ICP加速度传感器灵敏度校准

ICP加速度传感器的灵敏度是通过振动标准装置进行测量的，校准方法通常采用比较法

［4］

式中：a为传感器产生Vo输出电压时所承受的加速度。组合电容（Cq+Cr+CG）和时间常数电阻（Rt）

决定了传感器灵敏度和工作频率范围的下限。从上述分析可以看出，即使同一种类、统一样式的传感器，由于各自的组合电容、时间常数电阻和放大电路的微小差异，将导致其输出电压灵敏度也有所不同，准确的传感器灵敏度数值必须通过振动标准装置校准确定。灵敏度是ICP加速度传感器的最基本技术指标，其灵敏度数值的大小与准确直接影响到测量数据的准确。

，比较法校准

是通过被校传感器与标准传感器相比较而获得被校传感器灵敏度的一种方法。被校传感器在参考频率（通常为160Hz或80Hz）下，输出电压信号与标准传感器测量加速度值之比即为传感器灵敏度。传感器灵敏度校准系统原理如图2所示

。

2信号调节仪恒定电流

所有的ICP加速度传感器需要恒定电流供电才能

正常工作，因此在使用时，传感器必须连接图1所示带有恒定电流驱动的信号调节仪、信号分析仪、数据采集器或记录仪器。然而由于这些仪器种类繁多、型号各异，所提供的恒定电流也有所不同，有些还有在一定范围（一般为2～20mA）内连续可调节的功能。即使是同一仪器，由于电子器件的不一致性，不同通道的恒定电流也有所不同。两种提供不同恒定电流仪器的测试数据见表1。

图2

传感器灵敏度比较法校准原理图

设标准加速度传感器灵敏度为Sr（其值已用绝对法校准过，为已知），被校加速度传感器灵敏度为St。当二者承受相同的加速度值a时，它们的输出电压分别为

Vr=Sra（3）

计测技术

Vt=Sta

故被校加速度传感器的灵敏度为

St=Sr（Vt/Vr）

（4）（5）

电流

计量、测试与校准

表3

传感器3，4灵敏度幅值

传感器4

·31·

传感器3

式中：Vr为标准传感器输出电压幅值，V；Vt为被校传感器输出电压幅值，V。3.2

恒定电流对ICP加速度传感器灵敏度的影响

研究设备采用的振动校准系统为美国ENDEVCO

/mA灵敏度/（mV·g－1）误差/%灵敏度/（mV·g－1）误差/%246810520

100.09100.32100.53100.67100.77100.99101.17

－0.230.000.210.350.450.670.85

99.852100.15100.36100.69100.80101.02101.20

－0.300.000.210.540.650.871.

05

公司生产的自动化加速度计校准系统，它主要由2901标准振动台、校准接口30701、校准控制器68357、振动校准模块28978组成，该校准系统不仅能对ICP加速度传感器进行校准，也能对电荷输出型加速度传感器、电压输出型以及其它类型的加速度传感器进行校准，并能为被校ICP加速度传感器提供不同的恒定电流。选择几种不同厂家、不同型号、不同灵敏度幅值的ICP加速度传感器作为测试样本，一般ICP加速度传感器标称的恒定电流工作范围为2～20mA，因此恒定电流选择为2～20mA作为测量条件。通过为ICP加速度传感器提供不同大小的恒定电流，在振动频率为160Hz，振动加速度为10g的参考条件下，测得的相应恒定电流下的传感器灵敏度幅值，并以恒定电流为4mA下的灵敏度幅值作为参考比较，计算不同恒定电流下ICP加速度传感器灵敏度幅值误差。

测得的不同型号ICP加速度传感器灵敏度幅值数据及对应的误差曲线图分别见表2、表3、表4和图3、图4、图5。

表2

电流

图4传感器3，4灵敏度误差曲线

表4

电流/mA

24

传感器5灵敏度幅值

－1

灵敏度/（mV·g）

误差/%0.040.00－0.05－0.08－0.13－0.19－0.

27

505.72505.51505.28505.11504.86504.55504.17

传感器1，2灵敏度幅值

传感器2

68101520

传感器1

/mA灵敏度/（mV·g－1）误差/%灵敏度/（mV·g－1）误差/%2468101520

10.28410.31310.29910.28110.24310.19510.148

－0.280.00－0.14－0.31－0.68－1.14－1.60

9.84029.86359.85179.83419.81659.77029.7259

－0.240.00－0.12－0.30－0.48－0.95－1.

40

图5传感器5灵敏度误差曲线

为使测试结论更具广泛性、通用性，对几种三向ICP加速度传感器进行了测试，测试数据及误差曲线分

图3

传感器1，2灵敏度误差曲线

别见表5、表6、表7和图6、图7、图8。

·32·计量、测试与校准表5

传感器6灵敏度幅值

Y方向

Z方向

电流/mA2468101520

2012年第32卷第1期

表7

X方向

传感器8灵敏度幅值

Y方向

Z方向

电流/mA2468101520

X方向

灵敏度/误差灵敏度/误差灵敏度/误差（mV·g－1）/%（mV·g－1）/%（mV·g－1）/%9.89369.90219.91559.92859.94099.95699.9716

－0.090.000.140.270.390.550.70

9.93629.94929.95589.96719.97599.994610.009

－0.130.000.070.180.270.460.60

10.01110.02010.02610.03610.04610.06210.077

－0.090.000.060.160.260.420.

57

灵敏度/误差灵敏度/误差灵敏度/误差（mV·g－1）/%（mV·g－1）/%（mV·g－1）/%48.39948.42548.40448.43248.43148.46648.517

－0.050.00－0.040.010.010.080.19

49.83449.7349.70349.70449.72049.76349.787

0.210.00－0.05－0.05－0.020.070.11

49.32649.34349.36249.37649.39049.42349.457

－0.030.000.040.070.100.160.

23

图8

图6

传感器6灵敏度误差曲线

传感器8灵敏度误差曲线

表6

电流/mA2468101520

X方向

传感器7灵敏度幅值

Y方向

Z方向

量出ICP加速度传感器的灵敏度，并将其数值进行了比较。由以上实验数据及分析基本可以得出以下结论：ICP加速度传感器所需的由信号调节仪为其提供的恒定电流会直接影响加速度传感器灵敏度的大小，而且不同厂家、不同型号、不同批次、甚至仅编号不同的ICP加速度传感器灵敏度幅值变化大小及变化趋势也不尽相同。

因此，对用户来说，在使用ICP加速度传感器时，既要知道配接ICP加速度传感器的信号调节仪恒定电流，又要知道ICP加速度传感器在此恒定电流下的灵敏度，两者匹配使用更能使测试数据的准确。对计量部门来说，对ICP加速度传感器进行计量校准时，应按用户要求给出指定恒定电流下ICP加速度传感器的灵敏度。

总而言之，ICP加速度传感器灵敏度校准时的恒定电流要与使用时信号调节仪的恒定电流相互一致，这样测量的结果才能更加准确。

参考文献

［1］孙明阳，游亚.压电式加速度传感器故障查找［J］.计测

技术，2010，30（3）：56－58.

［2］吴付岗，孟念湘，张瑛，等.ICP传感器系统应用技术

［R］.中国工程物理研究科技年报，2001.

［3］曹康敏，汪洋.ICP压电传感器［J］.传感器技术，1996

（6）：38－41.

［4］国防科工委科技与质量司.力学计量［M］.北京：原子

能出版社，2002.

灵敏度/误差灵敏度/误差灵敏度/误差

（mV·g－1）/%（mV·g－1）/%（mV·g－1）/%9.72489.72769.73029.73379.74029.75019.7770

－0.030.000.030.060.130.230.51

9.75009.73029.72459.72449.72699.73239.7404

0.200.00－0.06－0.06－0.030.020.10

9.80379.79619.79639.79909.80019.80839.8166

0.080.000.000.030.040.120.

21

图7传感器7灵敏度误差曲线

由以上数据结果及误差曲线可见，随着传感器恒定电流的改变，ICP加速度传感器的灵敏度也在发生变化。

4结论

本项研究利用比较法原理在不同恒定电流值下测