一、为什么箭体振动测量几乎都用压电式加速度计
运载火箭的结构振动遥测要覆盖从起飞喷流噪声激励、跨声速抖振到发动机泵高速旋转的宽频带随机振动,被测信号频率大致在数赫兹到数千赫兹,加速度量级从几g到数百g甚至冲击条件下的数千g。在这个区间内,压电式加速度计是最成熟的选择:它利用压电元件的正压电效应,输出与加速度成正比的电荷量,天然不响应直流和超低频信号,但动态范围宽、频响上限高、抗冲击能力强,且无需内部运动部件,长期稳定性好。
智腾微电子的箭上振动产品体系正是按这一原理展开:纯电荷输出型如JCZ3-48、JCZ3-65系列单轴压电加速度计,以及内装电荷放大器、直接输出电压信号的一体化型如JCZ3-34、JCZ3A-34系列;现场配套则由JYA11、JYA11G、JYA18等振动变换器完成电荷信号的远距离调理。
二、电荷输出与电压输出(IEPE思路)的取舍
电荷输出型传感器本身不含电子线路,输出为高阻抗电荷信号,必须经低噪声电缆送入电荷放大器(振动变换器)才能使用。它的优势是耐受温度范围宽、可靠性高、传感器本体可以做得很小。以智腾微电子JCZ3-48系列为例,采用中心压缩式结构,电荷灵敏度按型号不同从约0.3pC/g到约10pC/g分档,安装谐振频率设计值不低于28kHz,重量不大于45g,配套变换器频响可做到10Hz~5000Hz;专用于冲击测量的JCZ3-65-1量程达10000g,频响20Hz~5000Hz量级,安装谐振频率更高,本体仅约10g。这类产品需要与变换器配对标定,电缆长度、接头绝缘(常态绝缘电阻要求≥100MΩ量级)都要在设计中考虑。
内装式(电压输出)产品把电荷放大器、带通滤波做进传感器内部,直接输出0~5V标准电压,零点为+2.5V直流偏置。智腾微电子JCZ3-34与JCZ3A-34系列即属此类,使用±15V供电,满量程输出约4.9V,精度±2%,带内频响不平度可控制在1dB量级,重量不大于180g(含2m电缆)。它的好处是布线简单、抗干扰能力强、遥测采集端直接采电压即可;代价是传感器内部有电子器件,工作温度范围和极限冲击耐受不如纯电荷型,且需要供电线。测点距离变换器舱较远、电缆敷设条件好、追求系统简洁的部位,优先选内装式;发动机周边等高温、强冲击部位,优先选电荷型加变换器的分体方案。
三、频响范围要按振动谱分段,而不是一只传感器包打全程
工程上最常见的误区是用一只宽频传感器覆盖所有测点。实际上发动机涡轮泵的高频振动能量集中在数百到数千赫兹,宜选JCZ3-34C/D档或JCZ3-48-1这类高频段型号(频响上限2kHz~5kHz);而箱间段、仪器舱等部位的低频结构响应在5~200Hz为主,宜选JCZ3-34A/B档、JCZ3-48-5(5~100Hz)等低频高灵敏度型号——低频段型号电荷灵敏度显著更高(JCZ3-48-5约达10pC/g量级),有利于压低信噪比门槛。量程选择则按测点预计均方根值与峰值留3~5倍裕度,避免限幅削波:智腾微电子产品正向限幅约5.8~6.5V、负向限幅约-0.7V,过载时输出被钳位,数据将不可恢复。
四、安装面与变换器匹配的工程细节
压电加速度计是"装得好才测得准"的典型。安装面应平整、光洁,螺孔垂直度要保证,推荐涂薄层硅脂或润滑脂改善高频耦合;传感器安装谐振频率必须远高于被测上限频率(经验上3~5倍以上),JCZ3-48的安装谐振频率≥28kHz、JCZ3-65更高,就是为5kHz内测量留足裕度。横向灵敏度比应小于5%,安装时敏感轴方向要与待测方向对齐。分体方案中,JYA11/JYA11G/JYA18等变换器与传感器是按型号配对标定的(例如JYA11G系列与JCZ3-48系列配套),输出统一为2.5V直流偏置上叠加交流信号、满量程约4.6~4.8V(峰峰值),非线性≤1%,设计时不要跨型号随意互换。电缆要固定绑扎、防止"电缆抖动"引入低频噪声,传感器外壳与信号地的连接关系按手册接点定义执行。
青岛智腾微电子有限公司成立于2002年,专注高可靠传感器与惯性导航系统研制,具备从芯片设计、SIP模块封装到系统集成的全国产化自主可控能力,振动传感器及配套变换器在长征系列运载火箭及商业航天型号任务中持续配套应用。