壓電式傳感器靈敏度：【圖】壓電加速度傳感器的靈敏度與使用問(wèn)題
有關(guān)壓電加速度傳感器的靈敏度與使用問(wèn)題，靈敏度的大小直接影響到傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量，靈敏度越高其測(cè)量范圍越小，反之靈敏度越小則測(cè)量范圍越大，提高壓電式加速度傳感器的靈敏度的方法。
壓電加速度傳感器的靈敏度問(wèn)題
一、壓電加速度傳感器的靈敏度
傳感器的靈敏度是傳感器的最基本指標(biāo)之一。
靈敏度的大小直接影響到傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。不難理解，傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測(cè)振動(dòng)量(加速度值)大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測(cè)量振動(dòng)的加速度值，而在相同的位移幅值條件下加速度值與信號(hào)的頻率平方成正比，所以不同頻段的加速度信號(hào)大小相差甚大。
大型結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)其振動(dòng)量的加速度值可能會(huì)相當(dāng)小，例如當(dāng)振動(dòng)位移為1mm,頻率為1Hz的信號(hào)其加速度值僅為0.04m/s2(0.004g)；然而對(duì)高頻振動(dòng)當(dāng)位移為0.1mm，頻率為10kHz的信號(hào)其加速度值可達(dá)4x105m/s2(g)。
因此，盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測(cè)量量程范圍，但對(duì)用于測(cè)量高低兩端頻率的振動(dòng)信號(hào)，選擇加速度傳感器靈敏度時(shí)應(yīng)對(duì)信號(hào)有充分的估計(jì)。最常用的振動(dòng)測(cè)量壓電式加速度計(jì)靈敏度，電壓輸出型(IEPE型)為50~100mV/g，電荷輸出型為10~50pC/g。
加速度值傳感器的測(cè)量量程范圍是指?jìng)鞲衅髟谝欢ǖ姆蔷€性誤差范圍內(nèi)所能測(cè)量的最大測(cè)量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為1%。作為一般原則，靈敏度越高其測(cè)量范圍越小，反之靈敏度越小則測(cè)量范圍越大。
IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測(cè)量范圍是由在線性誤差范圍內(nèi)所允許的最大輸出信號(hào)電壓所決定，最大輸出電壓量值一般都為±5V。通過(guò)換算就可得到傳感器的最大量程，即等于最大輸出電壓與靈敏度的比值。需要指出的是IEPE壓電傳感器的量程除受非線性誤差大小影響外，還受到供電電壓和傳感器偏置電壓的制約。
當(dāng)供電電壓與偏置電壓的差值小于傳感器技術(shù)指標(biāo)給出的量程電壓時(shí)，傳感器的最大輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生畸變。
因此IEPE型加速度傳感器的偏置電壓穩(wěn)定與否不僅影響到低頻測(cè)量也可能會(huì)使信號(hào)失真；這種現(xiàn)象在高低溫測(cè)量時(shí)需要特別注意，當(dāng)傳感器的內(nèi)置電路在非室溫條件下不穩(wěn)定時(shí)，傳感器的偏置電壓很可能不斷緩慢地漂移而造成測(cè)量信號(hào)忽大忽小。
而電荷輸出型測(cè)量范圍則受傳感器機(jī)械剛度的制約，在同樣的條件下傳感敏感芯體受機(jī)械彈性區(qū)間非線性制約的最大信號(hào)輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。一般情況下當(dāng)傳感器靈敏度高，其敏感芯體的質(zhì)量塊也就較大，傳感器的量程就相對(duì)較小。
同時(shí)因質(zhì)量塊較大其諧振頻率就偏低這樣就較容易激發(fā)傳感器敏感芯體的諧振信號(hào)，結(jié)果使諧振波疊加在被測(cè)信號(hào)上造成信號(hào)失真輸出。
因此，在最大測(cè)量范圍選擇時(shí)，也要考慮被測(cè)信號(hào)頻率組成以及傳感器本身的自振諧振頻率，避免傳感器的諧振分量產(chǎn)生。同時(shí)在量程上應(yīng)有足夠的安全空間以保證信號(hào)不產(chǎn)生失真。
加速度傳感器靈敏度的標(biāo)定方法通常采用比較法檢定，被校傳感器在特定頻率(通常為159Hz或80Hz)振動(dòng)的輸出與標(biāo)準(zhǔn)傳感器讀得加速度值的比即為傳感器靈敏度。
對(duì)沖擊傳感器的靈敏度則通過(guò)測(cè)量被校傳感器對(duì)一系列不同沖擊加速度值的輸出響應(yīng)，獲得傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)輸入沖擊加速度值和電輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得與各點(diǎn)之間差值最小的直線，而這直線的斜率即是傳感器的沖擊靈敏度。
沖擊傳感器的非線性誤差可以有兩種方法表示：全量程偏差或按分段量程的線性誤差。前者是指?jìng)鞲衅鞯娜砍梯敵鰹榛鶞?zhǔn)的誤差百分?jǐn)?shù)，即無(wú)論測(cè)量值得大小其誤差均為按全量程百分?jǐn)?shù)計(jì)算而得的誤差值。
按分段量程的線性誤差其計(jì)算方法與全量程偏差相同，但基準(zhǔn)不用全量程而是以分段量程來(lái)計(jì)算誤差值。
例如，量程為g的傳感器，如全量程偏差為1%，其線性誤差在全量程內(nèi)為200g；但當(dāng)傳感器按分段量程5000g，g，g來(lái)衡量其線性誤差，其誤差仍為1%時(shí)，則傳感器在不同的3個(gè)量程段內(nèi)線性誤差則分別為50g，100g，200g。
二、如何提高壓電式加速度傳感器的靈敏度
提高壓電式加速度傳感器的靈敏度的方法，是增加放大器。
三、加速度傳感器的靈敏度的應(yīng)用問(wèn)題
需要加速度傳感器，選擇方法：最大加速度*靈敏度<輸出電荷值。算下來(lái)大約在10<24。但是還是基本上測(cè)不到振動(dòng)曲線。
首先，確認(rèn)下加速度傳感器最終輸出是什么信號(hào)，你的24是什么，是供電嗎，可以告訴你傳感器核心供電一般是5v或10V,24v是整體電路的供電,可不是傳感器的供電(感應(yīng)元件)
是24V，在哪里能看到核心供電呢？最終輸出的是電壓值。
傳感器輸出一般為5V或10V的(最大值),而24V就是供電(輔助),和輸出沒(méi)關(guān)系,你應(yīng)該和5V或10V比較,因?yàn)闉樗鼈儾攀切盘?hào)的最大輸出,設(shè)置的上限不是24,應(yīng)該是5或10V。
壓電式傳感器靈敏度：壓電式加速度傳感器的靈敏度
壓電式加速度傳感器又稱(chēng)壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。
壓電加速度計(jì)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(jì)輸出電壓與所承受加速度之比;后者是加速度計(jì)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(dòng)測(cè)量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g=9.m/s2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測(cè)振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說(shuō)明書(shū)中標(biāo)出。
對(duì)給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來(lái)說(shuō)，加速度計(jì)尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。
壓電晶體加速度計(jì)的橫向靈敏度表示它對(duì)橫向(垂直于加速度計(jì)軸線)振動(dòng)的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度(即加速度計(jì)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(diǎn)標(biāo)出小橫向靈敏度方向，一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計(jì)在測(cè)試時(shí)具有明顯的方向性。
壓電式傳感器靈敏度：河海大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表IGBT模塊壽命評(píng)估的綜述文章
壓縮式壓電加速度傳感器是感知振動(dòng)信號(hào)的傳感器件，通過(guò)安裝在電力設(shè)備表面的振動(dòng)傳感器獲得振動(dòng)信號(hào)，從中提取特征量后結(jié)合數(shù)據(jù)處理及故障診斷方法，可有效評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)或臨時(shí)性檢測(cè)。
按不同振動(dòng)方式和傳感器結(jié)構(gòu)，壓電加速度傳感器可分為壓縮式（d33型）、剪切式（d15型）、彎曲式（d31型）等。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力較大而結(jié)構(gòu)形變不大時(shí)，選擇d33型轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)力較小而形變大時(shí)，考慮選擇d31型轉(zhuǎn)換。
壓縮式壓電加速度傳感器如圖1所示。其由壓電材料、基座、質(zhì)量塊、彈簧、螺栓等構(gòu)成，壓電材料位于質(zhì)量塊和基座之間，螺栓對(duì)傳感器整體起機(jī)械支撐作用。當(dāng)傳感器受到外部加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)在壓電材料上施加與輸出信號(hào)成正比的壓力，質(zhì)量塊的質(zhì)量越大，壓力越大，輸出信號(hào)也越大。根據(jù)傳感器振動(dòng)模式可以發(fā)現(xiàn)，壓電材料輸出電壓方向與受力方向相同，壓縮式壓電加速度傳感器壓電性能主要受壓電系數(shù)d33影響。
圖1 壓縮式壓電振動(dòng)傳感器
石維等采用固相燒結(jié)法制備了0.02BiGaO3-0.32BiScO3-0.66PbTiO3（BGSPT66）高溫壓電陶瓷，壓電系數(shù)d33約320pC/N，居里溫度可達(dá)465℃，并以此設(shè)計(jì)雙振子壓縮式壓電加速度傳感器，如圖2所示，在20~200℃溫度區(qū)間內(nèi)靈敏度保持在18mVs2/mm左右。
圖2 雙振子高溫壓縮壓電加速度傳感器
黃新波等基于壓電加速度傳感器（靈敏度100±10mV/g，頻率響應(yīng)區(qū)間1.5Hz~10kHz），設(shè)計(jì)輸電導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)傳感系統(tǒng)如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)頻率1~150Hz、振動(dòng)幅度0.1~1.5mm的導(dǎo)線振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算推導(dǎo)得到導(dǎo)線動(dòng)彎應(yīng)變值。
圖3 導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)傳感器
此外，有研究者選用PVDF壓電振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)SZ451型（正傘型）500kV雙回路高壓輸電桿塔及輸電桿塔固有頻率的變化，進(jìn)而評(píng)估桿塔機(jī)械強(qiáng)度。另有研究人員將PZT壓電振動(dòng)傳感器用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)，利用壓電導(dǎo)納譜的峰值頻率表征螺栓預(yù)緊力狀態(tài)。
壓縮式加速度傳感器通常能承受很大的加速度沖擊，而由于壓電材料和基座直接連接，在強(qiáng)沖擊下基座應(yīng)變和壓電材料形變會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)發(fā)生零點(diǎn)漂移和溫度漂移。選取彈性模量較高的材料或者選用剪切式壓電加速度傳感器（基座不與壓電材料直接接觸），可在一定程度抑制漂移現(xiàn)象。
本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用”，作者為姚睿豐、王妍 等。
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壓電式傳感器靈敏度：溫度因素對(duì)壓電加速度傳感器靈敏度的影響
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在二綜合（振動(dòng)、溫度）或三綜合（振動(dòng)、溫度、濕度）的試驗(yàn)中，振動(dòng)臺(tái)正常運(yùn)行中，突然功放報(bào)警，顯示【過(guò)電流】或【過(guò)負(fù)載】等各種報(bào)警，尤其是在溫度變化過(guò)程中，導(dǎo)致試驗(yàn)不能順利進(jìn)行，如下圖。在處理解決報(bào)警時(shí)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)候是因?yàn)楦叩蜏貙?dǎo)致加速度傳感器的固定膠處松動(dòng)，有時(shí)候是因?yàn)榧诱窳τ?jì)算不夠?qū)е录诱窳^(guò)載，有時(shí)候根本找不到原因，重新開(kāi)機(jī)又能正常繼續(xù)運(yùn)行，過(guò)段時(shí)間又再現(xiàn)報(bào)警。真的是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)心。
其實(shí)，這個(gè)問(wèn)題主要是溫度和濕度對(duì)壓電加速度傳感器及其靈敏度的影響造成的。現(xiàn)在的傳感器一般密封性還是比較優(yōu)良的，相對(duì)來(lái)說(shuō)濕度的影響較小。也可以通過(guò)下圖所示處理（傳感器外圍包裹一層柔軟的膠皮層）來(lái)減少濕度對(duì)傳感器內(nèi)部機(jī)構(gòu)和接頭處同軸電纜的影響。
接下來(lái)主要討論溫度對(duì)壓電加速度傳感器的影響。加速度傳感器主要是測(cè)定物體加速度（速度變化率）的傳感器，主要有以下4種，
1 壓電型加速度傳感器
2 伺服型加速度傳感器
3 應(yīng)變片式加速度傳感器
4 半導(dǎo)體式加速度傳感器
其中，壓電型傳感器（以下統(tǒng)稱(chēng)加速度傳感器）以其小型化、頻率范圍廣、高靈敏度、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，使用最廣泛。又分為電荷型和功放內(nèi)藏型（ICP），是主要利用壓電效應(yīng)的原理，自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。壓電材料表面受力產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就能產(chǎn)生正比于所受外力的電量輸出，如下圖所示。
影響靈敏度的關(guān)鍵部位是壓敏材料，主要壓電材料有水晶（SiO2）、壓電陶瓷、硫化鋅等晶體。對(duì)于這些材料，會(huì)受周邊環(huán)境溫度的影響，即所謂的分極作用（極化作用）。周邊環(huán)境溫度高，分極作用強(qiáng)，輸出的電荷量多，靈敏度變大;周邊環(huán)境溫度低，分極作用弱，輸出的電荷量少，靈敏度變小。從而導(dǎo)致試驗(yàn)中加速度的響應(yīng)值有變化，影響試驗(yàn)的精度。尤其在控制點(diǎn)上的傳感器，會(huì)影響功放對(duì)動(dòng)圈的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，從而導(dǎo)致過(guò)電流或過(guò)電壓報(bào)警。下圖為國(guó)際某著名廠家的某型號(hào)加速度傳感器的溫度特性曲線，供參考。圖中可以看出，200℃時(shí)，和常溫相比，靈敏度大概有+10%的偏差;-50℃時(shí)，與常溫相比，靈敏度約有-5%的偏差。
另外，制作工藝的不同，其溫度特性也會(huì)各異，參照下圖，從上到下分別是中心壓縮式、反向中心壓縮式、環(huán)狀剪切式、三角剪切式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖供參考。可以看出，三角剪切式的溫度特性最優(yōu)，靈敏度偏差受溫度的影響最小。
通過(guò)加速度傳感器的溫度特性分析，高溫時(shí)電荷的輸出量大，靈敏度變大，實(shí)際控制點(diǎn)測(cè)得的加速度大。低溫時(shí)電荷的輸出量小，靈敏度變小，實(shí)際控制點(diǎn)測(cè)得的加速度小。這就是通常所說(shuō)的【高溫欠試驗(yàn)、低溫過(guò)試驗(yàn)】。
此外，還需要考慮環(huán)境溫度突變時(shí)，由于壓敏材料的熱電效應(yīng)，振動(dòng)測(cè)定時(shí)，壓敏材料會(huì)輸出一個(gè)低頻率的雜波信號(hào)，也會(huì)對(duì)靈敏度有影響。研究表明，剪切型傳感器產(chǎn)生的雜波比壓縮型傳感器產(chǎn)生的雜波大約小100倍，基本上無(wú)影響。還有熱脹冷縮的原因，傳感器內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的熱膨脹率是不同的，膨脹收縮不是均一的。此時(shí)，壓敏材料會(huì)受到熱應(yīng)力影響，向外輸出電荷。也就是說(shuō)溫度突變，會(huì)導(dǎo)致靈敏度不穩(wěn)定，引用某經(jīng)典教材上兩張圖供參考。第一張圖中可以看出，加速度靈敏度短時(shí)間內(nèi)激增，然后穩(wěn)定，大概6-7秒。第二張圖看出，三角剪切型的傳感器靈敏度受溫度突變的影響比較小。
總結(jié)：
綜上所述，在綜合振動(dòng)試驗(yàn)中，為了解決溫度對(duì)加速傳感器靈敏度的影響，尤其是控制點(diǎn)傳感器靈敏度的變化影響，需要采取各種措施進(jìn)行對(duì)應(yīng)。
1 選擇正確的加速度傳感器，個(gè)人比較偏好三角剪切型加速度傳感器，其受溫度因素的影響最小。
2 可以的話，根據(jù)試驗(yàn)條件，在電荷放大器中使用低頻過(guò)濾功能。
3 加速度傳感器固定后，盡可能使用螺釘固定的方法。不能實(shí)現(xiàn)的條件下，采用固定性能優(yōu)質(zhì)（耐高溫、耐振動(dòng)尤佳）的膠水，外加隔熱措施，如下圖。
4 對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)室使用的加速度傳感器受溫度影響的特性進(jìn)行了解把握，針對(duì)不同試驗(yàn)選擇最優(yōu)的加速度傳感器。可通過(guò)試驗(yàn)得到各個(gè)傳感器的溫度特性圖，恒溫槽溫度RT→-40℃→80℃（或120℃，根據(jù)常用試驗(yàn)條件決定）→20℃運(yùn)行，固定各種加速度傳感器，振動(dòng)控制儀160Hz，50m/s2定頻定加速度輸出給振動(dòng)臺(tái)加振，得到各個(gè)加速度傳感器的加速度值，數(shù)值保存。下面是作者工作過(guò)某試驗(yàn)室一些加速度傳感器溫度特性曲線圖，供參考。
上圖中，淺藍(lán)色線對(duì)應(yīng)的傳感器溫度特性最優(yōu)，-40℃時(shí)，與基準(zhǔn)50m/s2的差值約為-3m/s2，80℃時(shí)，差值約為2m/s2。其他加速度傳感器，-40℃的時(shí)候，最大偏差有-8m/s2，約16%；80℃的時(shí)候，最大偏差有6m/s2，約12%。可以推測(cè)當(dāng)大加速度量級(jí)或試驗(yàn)溫度超過(guò)80℃時(shí)，溫度的影響還是比較大的，偏差相對(duì)來(lái)說(shuō)肯定更大。
想要徹底解決溫度對(duì)加速度靈敏度的影響，基本上不可能。只能利用各種有效的措施減少其影響。通過(guò)本文分析和介紹，能對(duì)大家在此問(wèn)題上提供一些思路和解決辦法，希望有所幫助，共同進(jìn)步。
