低频压电加速度传感器的噪声特性及信号处理方法研究

摘要

压电加速度计作为测量振动信号的传感器，在汽车制造、航天工程等诸多领域得到广泛应用。随着科技的发展，对振动信号、尤其是对低频振动信号的精确获取及处理的精度要求越来越高。由于传统的压电加速度计应用范围窄，响应时间长，无法对低频、微弱振动信号进行高精度的测量，目前对低频、微弱振动信号的高精度测量仍然是国内外研究人员所面临的难题。本文通过对压电加速度计本底噪声的研究，分析测试实验数据，并采取相应降噪措施，研制出IEPE(Integrated Electronics Piezoelectric)压电加速度计。其具有频率响应范围宽、灵敏度高等特点，可应用于微弱信号的测量领域。该研究对于确保被测信号不被加速度计的本底噪声所淹没，从而对提高压电加速度计的精度和灵敏度具有十分重要的意义。
　　论文针对压电加速度计在不同领域的应用实例，以IEPE加速度计为代表，研究了压电加速度计的本底噪声特性，通过建立噪声模型，设计出压电加速度计的低噪声系统。主要完成了以下工作：
　　(1)基于压电效应，推导出圆柱型陶瓷材料的压电方程，研究压电加速度计的工作机理。基于压电材料的种类，研究表征压电材料的性能参数。根据压电元件的结构和位置，分析各种类型的压电加速度计（即：压缩型、剪切型和弯曲型）的特点。通过对IEPE加速度计的组成结构及供电方式的研究，发现封装的结构形式具有很高的抗电磁感应和抗高温能力。其两线制的工作方式由于不受热电偶的影响，因此温漂小，易于分散采集，便于集中控制，从而提高了加速度计的抗干扰性和测量精度。
　　(2)基于噪声基本理论和特性，研究压电加速度计的噪声来源。压电变换器内部噪声包括机械谐振系统产生的机械热噪声和压电元件产生的电热噪声。为分析压电变换器内部的噪声种类，研制IEPE加速度计的电荷放大器，建立各种噪声模型。在对T型偏置网络的噪声的分析中，运用Y-△变换原理，从而减小了建模难度。同时基于该噪声模型推导出本底噪声谱密度表达式，为压电加速度计低噪声设计提供了理论依据。
　　(3)对研制的低噪声IEPE加速度计电荷放大器进行实验研究，对电路的幅频特性和低频截止频率进行性能测试。通过对电路的噪声特性的实验研究，将实验测试结果与噪声谱密度表达式的理论值相比较，验证了理论公式的有效性。对实验样机进行测试，并采集样机输出的噪声波形，分析噪声的功率谱。通过对实验测试结果和噪声谱密度公式的对照结合，总结出低噪声加速度计的技术要求。
　　(4)基于小波分析理论，对加速度计输出的信号进行去噪处理。针对传统小波变换的不足，研究基于小波形态学的加速度传感器信号去噪方法，并采用Matlab进行仿真测试，取得了良好的效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 压电加速度计的噪声分类

1.4 本文主要研究内容

第2章 压电加速度计的结构特点与信号测量机理

2.1 引言

2.2 压电效应

2.3 压电方程

2.4 压电加速度计的原理

2.5 压电材料

2.6 低频压电加速度计的结构特点

2.7 IEPE加速度计

2.8 本章小结

第3章 加速度传感器噪声研究

3.1 引言

3.2 噪声基本理论

3.3 压电变换器的噪声分析

3.4 电荷放大器的噪声分析

3.5 电路噪声模型构建与噪声分析

3.6 电荷放大器的噪声模型构建

3.7 本章小结

第4章 IEPE加速度计的噪声实验研究

4.1 引言

4.2 电路噪声测试实验与分析

4.3 实验样机的噪声测试

4.4 低噪声加速度计的技术要求

4.5 本章小结

第5章 加速度传感器的噪声处理

5.1 引言

5.2 小波分析理论

5.3 小波分析在信号去噪中的应用

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢