1. 核心原理:压电效应
压电加速度计的核心是压电晶体材料。当传感器受到振动或冲击时,质量块会对压电晶体施加一个力(F = m * a)。根据压电效应,这个力会在晶体两端产生一个电荷(Q),该电荷量与所施加的力(也就是加速度a)成正比。
这个电荷会通过传感器的内部电路(包括内置的电荷放大器或电压放大器)转换为一个输出电压(V)。因此,输出电压与受到的加速度成正比。
2. 大冲击下的具体变化
线性工作区:在传感器的正常测量范围内,输出电压与输入加速度保持良好的线性关系。冲击越大,加速度值越大,输出电压的峰峰值也越大。
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大冲击下的情况:
峰值急剧升高:一个大冲击意味着一个非常大的瞬时加速度。根据线性关系,这会产生一个非常高的输出电压峰峰值。这个电压值可能远远超过传感器在测量普通振动时产生的电压。
达到饱和上限:任何电子设备,包括传感器内部的放大器,都有一个电压输出上限。这个上限通常由供电电源电压(如±5V, ±12V)决定。当冲击产生的理论输出电压超过这个上限时,实际的输出信号会被“削顶”,峰峰值被限制在最大输出电平上,这种现象称为饱和或削波。
3. 可能导致的后果
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信号失真(削波):如上所述,这是最直接的后果。输出波形不再是冲击的真实形状,而是变成一个顶部被平掉的畸形波。这使得无法从信号中获取真实的冲击幅度和波形信息。
如图所示:正常的冲击波形是一个尖锐的脉冲,而被削波后,波形的顶部会变成一个平台。
传感器过载恢复:在经历一个非常大的冲击后,传感器的输出可能会在短时间内(通常是几毫秒到几百毫秒)偏离零点,然后缓慢恢复到正常零位。在这段恢复期间,传感器的测量是不准确的。
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潜在损坏风险:
压电元件损坏:极端的机械冲击可能超过压电晶体本身的结构强度极限,导致其破裂或永久性极化改变,造成传感器灵敏度变化或完全失效。
内部电路损坏:虽然比较少见,但巨大的冲击也可能损坏内部集成的电子元件(如果是ICP/IEPE型传感器)。
