低頻壓電加速度傳感器的噪聲特性及信號處理方法研究.pdf

1、壓電加速度計作為測量振動信號的傳感器，在汽車制造、航天工程等諸多領域得到廣泛應用。隨著科技的發(fā)展，對振動信號、尤其是對低頻振動信號的精確獲取及處理的精度要求越來越高。由于傳統(tǒng)的壓電加速度計應用范圍窄，響應時間長，無法對低頻、微弱振動信號進行高精度的測量，目前對低頻、微弱振動信號的高精度測量仍然是國內外研究人員所面臨的難題。本文通過對壓電加速度計本底噪聲的研究，分析測試實驗數(shù)據(jù)，并采取相應降噪措施，研制出IEPE(Integrated E

2、lectronics Piezoelectric)壓電加速度計。其具有頻率響應范圍寬、靈敏度高等特點，可應用于微弱信號的測量領域。該研究對于確保被測信號不被加速度計的本底噪聲所淹沒，從而對提高壓電加速度計的精度和靈敏度具有十分重要的意義。
　　論文針對壓電加速度計在不同領域的應用實例，以IEPE加速度計為代表，研究了壓電加速度計的本底噪聲特性，通過建立噪聲模型，設計出壓電加速度計的低噪聲系統(tǒng)。主要完成了以下工作：
　　(1)

3、基于壓電效應，推導出圓柱型陶瓷材料的壓電方程，研究壓電加速度計的工作機理。基于壓電材料的種類，研究表征壓電材料的性能參數(shù)。根據(jù)壓電元件的結構和位置，分析各種類型的壓電加速度計（即：壓縮型、剪切型和彎曲型）的特點。通過對IEPE加速度計的組成結構及供電方式的研究，發(fā)現(xiàn)封裝的結構形式具有很高的抗電磁感應和抗高溫能力。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的抗干擾性和測量精度。

4、>　　(2)基于噪聲基本理論和特性，研究壓電加速度計的噪聲來源。壓電變換器內部噪聲包括機械諧振系統(tǒng)產生的機械熱噪聲和壓電元件產生的電熱噪聲。為分析壓電變換器內部的噪聲種類，研制IEPE加速度計的電荷放大器，建立各種噪聲模型。在對T型偏置網(wǎng)絡的噪聲的分析中，運用Y-△變換原理，從而減小了建模難度。同時基于該噪聲模型推導出本底噪聲譜密度表達式，為壓電加速度計低噪聲設計提供了理論依據(jù)。
　　(3)對研制的低噪聲IEPE加速度計電荷放大器

5、進行實驗研究，對電路的幅頻特性和低頻截止頻率進行性能測試。通過對電路的噪聲特性的實驗研究，將實驗測試結果與噪聲譜密度表達式的理論值相比較，驗證了理論公式的有效性。對實驗樣機進行測試，并采集樣機輸出的噪聲波形，分析噪聲的功率譜。通過對實驗測試結果和噪聲譜密度公式的對照結合，總結出低噪聲加速度計的技術要求。
　　(4)基于小波分析理論，對加速度計輸出的信號進行去噪處理。針對傳統(tǒng)小波變換的不足，研究基于小波形態(tài)學的加速度傳感器信號去噪方