传感器及其配件：介绍与应用

振动加速度传感器选用的是丹麦Brüel & Kjær（B&K）公司的4321以及与之配套的模块。B&K是以测量振动信号而闻名的公司。4321是一款三轴压电式加速度传感器，它能同时采集径向、轴向和切向振动信号。它除了具有和其他压电式传感器相同的特点——体积小、工作可靠、重量轻、灵敏度高和响应频带宽外，它还拥有极佳的温度稳定性。

B&K4321的主要技术指标如表3-1所示。

表3-1　B&K4321技术指标

4321属于压电式传感器，它输出信号非常微弱，同时4321内部阻抗大并且输出阻抗较高。因此为了测量其输出的信号需要在测量电路中接入一个高输入阻抗的前置放大器，前置放大器的主要有两个作用：一个作用是阻抗转换，将压电传感器高输出阻抗经过放大器后转换为低输出阻抗；另外一个作用是将压电传感器输出的微弱信号进行放大处理。压电传感器输出可分为电荷信号和电压信号两种，与之对应的前置放大器也有两种形式——电荷放大器和电压放大器。电荷放大器与电压放大器相比较有一个最大优势，即连接电缆的电容和压电元件自身电容的大小对电荷放大器的输出影响很小甚至不影响，输出结果不会随着连接电缆的长度和形状的改变而变化。我们选用B&K4321为电荷压电传感器。

由图3-2（b）可知，电荷放大器实质就是一个负反馈放大器，放大器的输入电阻Ri、压电传感器泄露电阻Ra的阻值都非常大。因此可以将它们当成开路，并且前置放大器的输入阻抗很大，其输入端可认为没有电流——虚断，Ri和Ra组成的并联电阻可以忽略。当频率较高时，Rf可以忽略，甚至可以不接Rf。这样图3-2（b）就可以变为图3-5。

图3-5　改进型电荷放大器

由图3-5可知：(www.xing528.com)

根据运放特性可知：

将代式（3-5）入式（3-6）可得

通常A比较大A=104～108，即（Ca+Cc+Ci）≪（1+A）Cf，上式可简化为

由式（3-8）可知，电荷放大器的输出主要取决于Q和Cf，为了得到更好的测量效果，对Cf的温度和时间稳定性都有很高的要求。

经过认真比较，本书采用了B&K公司的2634电荷放大器，它是一款紧凑型两级的电荷放大器，非常适用于工业环境中振动信号的测量。电荷放大器2634输出电压后，为了得到更为干净的原始信号，还需要对电压信号进行信号调理即预处理，经过调理后的电压信号就可以进入A/D数据采集系统。调理模块选用B&K2694，它主要有三个作用：一是滤波，将信号中的干扰信号去除保留有用的振动信号；二是将输出电压调整到A/D采集模块能够接受的范围之内；三是为加速度传感器4321和电荷放大器2634供电。2694通过RS-232串口与计算机连接，计算机通过B&K公司提供的软件接口对其进行控制。