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。随着科学技术的发展，振动信号的准确获取和处理，特别是低频振动信号。由于传统的压电加速度计应用范围狭窄，响应时间长，低频、弱振动信号的高精度测量仍然是国内外研究人员面临的问题。本文通过研究压电加速度计的基本噪声，分析测试实验数据，采取相应的降噪措施IEPE(Integrated Electronics Piezoelectric)压电加速度计。它具有频率响应范围广、灵敏度高的特点，可应用于微弱信号的测量领域。本研究对提高压电加速度计的精度和灵敏度具有重要意义。以压电加速度计在不同领域的应用为例IEPE以加速度计为代表，研究了压电加速度计的基本噪声特性，设计了压电加速度计的低噪声系统。主要完成以下工作：（1）是基于压电效应，研究压电加速度计的工作机理。压电材料的性能参数是基于压电材料的类型。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、剪切和弯曲)的特点。通过对IEPE研究了加速度计的组成结构和供电方式，发现封装结构具有较高的抗电磁感应和抗高温能力。由于两线系统的工作模式不受热电偶的影响，温度漂移小，易于分散采集，易于集中控制，提高了加速度计的抗干扰性和测量精度。(2)研究压电加速度计的噪声源，基于噪声的基本理论和特性。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。为了分析压电变换器内部的噪声类型，开发了IEPE电荷放大器加速度计，建立各种噪声模型。在分析TT型偏置网络的噪声-Y?改变原理，从而降低建模难度。同时，本底噪声谱密度表达式是基于噪声模型推导出来的，为压电加速度计的低噪声设计提供了理论依据。(3)开发的低噪声IEPE实验研究加速度计电荷放大器，测试电路的幅频特性和低频截止频率。通过对电路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理论值进行比较，验证了理论公式的有效性。测试实验样机，采集样机输出的噪声波形，分析噪声功率谱。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，研究了基于小波形态学的加速度传感器信号去噪法Matlab进行仿真测试,取得了良好的效果。

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