壓電式加速度傳感器

HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY《傳感器原理及應用》課程考核論文壓電式加速度傳感器機設七班孫國強機械與汽車工程學院機械電子工程系

二零一四年五月壓電式加速度傳感器摘要:現(xiàn)代工業(yè)和自動化生產過程中，非電物理量的測量和控制技術會涉及大量的動態(tài)測試問題。所謂動態(tài)測試是指量的瞬時值以及它隨時間而變化的值的確定，即被測量為變量的連續(xù)測量過程。振動與沖擊測量的核心是傳感器，常用壓電加速度傳感器來獲取沖擊和振動信號。壓電式傳感器是基于某些介質材料的壓電效應，當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現(xiàn)非電量測量。其中，壓電式加速度傳感器是以壓電材料為轉換元件，將加速度輸入轉化成與之成正比的電荷或電壓輸出的裝置，具有結構簡單、重量輕、體積小、耐高溫、固有頻率高、輸出線性好、測量的動態(tài)范圍大、安裝簡單的特點。一、 傳感器物理效應及工作原理壓電效應：某些材料在受力時所產生的電極化現(xiàn)象。正壓電效應：某些電介質在受到某一方向的機械力而變形時，在一定表面上產生電荷，若外力變向，電荷極性隨之而變；當撤除外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)。逆壓電效應：當在電介質的極化方向施加電場，電場力使其在一定方向上產生機械變形或機械應力；當撤除外加電場時，變形或應力隨之消失，又稱電致伸縮效應。壓電材料:石英晶體是目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體，有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能，溫度穩(wěn)定性好，但靈敏度低，介電常數小，因此逐漸被其他壓電材料所代替，至今石英仍是最重要的也是用量最大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等元件的壓電材料。除此之外，壓電陶瓷有較高的壓電系數和介電常數，靈敏度高，但機械強度不如石英晶體好。壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計，它是典型的有源傳感器，利用某些物質如石英晶體、人造壓電陶瓷的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電敏感元件是力敏元件，在外力作用下，壓電敏感元件的表面上產生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測量的目的。壓電加速度傳感器的原理框圖如圖1所示，原理如圖2所示。實際測量時，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起。當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產生交變電荷（電壓）。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比。電信號經前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電荷（電壓）大小，從而得出物體的加速度。壓電加速度傳感器的壓敏元件采用具有壓電效應的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理。這些壓電材料，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。其中彈性體是傳感器的核心，其結構決定著傳感器的各種性能和測量精度，彈性體結構設計的優(yōu)劣對加速度傳感器性能的好壞至關重要。二、 傳感器的構成壓電式加速度傳感器的敏感元件是具有壓電效應的壓電材料如石英晶體，轉換元件是以壓電材料受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理。這些壓電材料，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，內部就產生極化現(xiàn)象，同時在它

的兩個相對的表面上便產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。壓電傳感器等效原理：壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產生正負極性的電荷，因此可以看成一個靜電發(fā)生器，其類似一個以壓電，材料為電介質的電容器，如圖所示。 七當兩極板間有異性電荷三?、傳感器的結構的兩個相對的表面上便產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。壓電傳感器等效原理：壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產生正負極性的電荷，因此可以看成一個靜電發(fā)生器，其類似一個以壓電，材料為電介質的電容器，如圖所示。 七當兩極板間有異性電荷三?、傳感器的結構常用的壓電式加速度計的結構形式如下圖所示座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖a是中央安'裝’彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結構有高的共振頻率，然們而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承，受切應力。這種結構對壓電傳形和溫度變化原理極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖b為環(huán)形剪切型，結構簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。器寸［荷（（q）時，極板之間的電壓為Ua。孕羸上』，「 \fellfl阮節(jié)是質塊，B是基壓電式加速度傳感器的幅頻特性曲線：加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率圖，一般小阻尼（z<=0.1）的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的1/3,便可保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5,則可保證幅值誤差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難于達到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。壓電式加速度傳感器的固定方法：其中圖1采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座變形，影響加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來固定加速度計（圖2），但墊圈應盡量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上（圖3），也可用于低溫（40°C以下）的場合。手持探針測振方法（圖4）在多點測試時使用特別方便，但測量誤差較大，重復性差，使用上限頻率一般不高于1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計（圖5），使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓（圖6）或粘接劑（圖7）的固定方法也長使用。某種典型的加速度計采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。四、傳感器的靈敏度壓電式加速度計的靈敏度：壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。加速度單位為m/s2，但在振動測量中往往用標準重力加速度g作單位，1g=9.80665m/s2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標出。對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率響應特性之間的利弊。壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應小于主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體，如石英晶體；另一類是經過極化處理的壓電陶瓷；壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成品較低，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。常用的一代女陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（BaTiO3等）第三類是高分子壓電材料。典型的高分子壓電材料有聚偏二乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據需要支撐薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。五、傳感器的測量電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種介質，則其電容量為：式中S為晶片電極面面積；8r為壓電材料的相對介電常數；80為真空介電常數。因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此，它的測量電路通常需接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用如下：（1） 把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。（2） 放大傳感器輸出的微弱信號。本設計中前置放大器采用電荷放大器。 壓電傳感器在實際使用時與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻Ri、輸人電容Ci及壓電傳感器的泄漏電阻Ra，這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖3所示。圖中，KA為運算放大器增益。由于運算放大器的Ri極高，而Ra=109?1014歐姆，所以可認為Ri和Ra是開路的。設運算放大器輸人電壓為Ui，輸出電壓為U0，根據運算放大器理論和電路理論得電荷量為Q=Ui（Ca+Cc+Ci）+（Ui-Uo）Cf式中Cf為反饋電容。將Uo=-AkU1代入上式中得Uo=AkQ/（Cc+Ca+Ci+Cf+ACf）若放大器開環(huán)增益足夠大，滿足（1+AkCf）〉〉Ca+Cc+Ci時，上式可表示為：Uo=-Q/Cf由上可知，在一定情況下，電荷放大器的出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關。因此，采用電荷放大器時，即使聯(lián)接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。六、傳感器的選擇壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質量塊組成，當質量塊受到加速度作用后便轉換成一個與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產生一個與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應力也可以是剪應力，壓電材料產生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結構一般有以下三種形式：1） 壓縮形式-壓電材料受到壓縮或拉伸力而產生電荷的結構形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結構形式。其特點是制造簡單方便，能產生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點是不能有效地排除各種干擾對測量信號的影響。2） 剪切形式-通過對壓電材料施加剪切力而產生電荷的結構形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產生的電荷信號受外界干擾的影響甚小，因此剪切結構形式成為最為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實際制造過程中，確保剪切敏感芯體的加速度計持有較高和穩(wěn)定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中最為困難的一個環(huán)節(jié)。北智BW-Sensor采用進口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。3） 彎曲變形梁形式-壓電材料受到彎曲變形而產生電荷的結構形式。彎曲變形梁結構可產生比較大的電荷輸出信號，也較容易實現(xiàn)控制阻尼；但因為其測量頻率范圍低，更由于此結構不能排除因溫度變化而極容易產生的信號漂移，所以此結構在壓電型加速度計的設計中很少被采用。?傳感器的靈敏度與量程范圍傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標之一。靈敏度的大小直接影響到傳感器對振動信號的測量。不難理解，傳感器的靈敏度應根據被測振動量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號大小相差甚大。大型結構的低頻振動其振動量的加速度值可能會相當小，例如當振動位移為1mm,頻率為1Hz的信號其加速度值僅為0.04m/s2（0.004g）；然而對高頻振動當位移為0.1mm，頻率為10kHz的信號其加速度值可達4x105m/s2（40000g）。因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測量量程范圍，但對用于測量高低兩端頻率的振動信號，選擇加速度傳感器靈敏度時應對信號有充分的估計。最常用的振動測量壓電式加速度計靈敏度，電壓輸出型（IEPE型）為50~100mV/g，電荷輸出型為10~50pC/g。1）傳感器的高頻測量范圍傳感器的高頻測量指標通常由高頻截止頻率來確定，而一定截止頻率與對應的幅值誤差相聯(lián)系；所以傳感器選用時不能只看截至頻率，必須了解對應的幅值誤差值。傳感器的頻率幅值誤差小不僅是測量精度提高，更重要的是體現(xiàn)了傳感器制造過程中控制安裝精度偏差地能力。另外由于測量對象的振動信號頻率帶較寬，或傳感器的固有諧振頻率不夠高，因而被激發(fā)的諧振信號波可能會疊加在測量頻帶內的信號上，造成較大的測量誤差。所以在選擇傳感器的高頻測量范圍時除高頻截至頻率外，還應考慮諧振頻率對測量信號的影響；當然這種測量頻段外的信號也可通過在測量系統(tǒng)中濾波器給予消除。2）傳感器的低頻測量范圍與傳感器高頻指標相對應，傳感器的低頻測量指標通常由低頻截止頻率來確定，同樣一定低頻截止頻率與對應的幅值誤差相關。和高頻特性不同，傳感器的低頻特性與傳感器的任何機械參數無關，而僅取決于傳感器的電特性參數。當然傳感器作為測量系統(tǒng)的某一部分，測量信號的低頻特性還將受到與傳感器配用的后繼儀器電參數的制約。一般情況下傳感器的高頻截止頻率與輸出信號的形式（即電荷型或低阻電壓型）無關；而與傳感器的結構設計，制造以及安裝形式和壓電式傳感器的工作原理是利用敏感芯體的壓電效應，而壓電材料產生的是高阻抗的電荷信號。傳感器敏感芯體的絕緣阻抗與傳感器的低頻測量截止頻率存在著相互對應的關系。為了保證傳感器的低頻響應，傳感器殼體封裝設計應使敏感芯體與外界隔絕，以防止壓電陶瓷受到任何污染而導致其絕緣阻抗下降。敏感芯體絕緣阻抗下降對傳感器性能造成的直接影響表現(xiàn)為低頻響應變差，嚴重時還將造成傳感器靈敏度改變。為保證傳感器的密封特性，大多傳感器的封裝采用激光焊接。同時在當今密封材料品種多樣，性能日益完善的情況下，針對不同的使用環(huán)境，采用合適的密封材料替代激光焊接也能達到傳感器密封的要求。但必須指出不同的密封材料效果差異很大。北智公司采用國外知名品牌的密封材料并經過通過了多年的環(huán)境厲行試驗驗證。在工業(yè)現(xiàn)場測試現(xiàn)場，為防止電磁場對傳感器信號的影響，對用于工業(yè)現(xiàn)場的在線監(jiān)測傳感器往往要求傳感器采用雙重屏蔽殼封裝形式。雙層屏蔽結構的傳感器輸出接頭一般采用雙芯工業(yè)接頭或聯(lián)體電纜輸出形式。由于雙層屏蔽殼的結構特點和雙芯輸出電纜，傳感器的高頻特性一般將受到較大的制約，因此如果用戶必須選用雙層屏蔽型傳感器進行高頻振動信號測量，應謹慎考慮。?傳感器輸出接頭形式M5(M6)接頭是加速度傳感器最為常用的輸出接頭形式。M5接頭特點是尺寸較小，一般配用直徑較細的電纜(2mm或3mm)，比較適合振動實驗的測試。另外M5(M6)的結構型式對信號屏蔽較好，所以對電荷輸出型加速度傳感器因其輸出為較容易受干擾的高阻抗信號一般均采用M5(M6)接頭。測量振動的加速度傳感器接頭一般避免使用Q9(BNC),原因是Q9(BNC),接頭組件沒有螺紋聯(lián)接，構件之間的機械耦合剛度較低；因此如果加速度傳感器輸出采用Q9(BNC),，其將會影響傳感器的高頻響應。?電纜的選擇對輸出為高阻抗信號的電荷型壓電型傳感器而言，為保證測量信號不受因電纜移動而造成噪聲的影響，傳感器的輸出信號電纜一般都采用低噪聲電纜。而輸出為低阻抗電壓信號的IEPE傳感器，低噪聲電纜并不一定是必需的。高頻，低頻信號對電纜不同要求的典型的例子是多軸向測量傳感器的電纜，多通道高阻抗信號的電纜必須是各自獨立的低噪聲屏蔽電纜，而多通道低阻抗的電壓信號便可采用多芯絞線加屏蔽的電纜。在通用型傳感器的電纜配備中因