压电式加速度传感器.doc

压电式加速度传感器摘要：本文介绍了压电式加速度传感器的结构和工作原理，推导了传感器的数学模型，并分析了测量电路，压电传感器的产生零漂现象的各种原因，并针对这些原因提出相应的解决措施。关键词：压电式；加速度传感器；零漂1 引言现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、体育、制造业、军事、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、压电式、振弦式、挠性摆式、液浮摆式等类型。压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。2工作原理压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是典型的有源传感器。利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。弹性辅助电源测量电路转换元件待测加速度输出信号图1 加速度传感器的组成框图压电元件质量块输出引线支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。3数学模型推理压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向(z方向)。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。设质量块作用于压电元件的力为F上，支座作用于压电元件的力为F下，则有 （1） （2）式中M为质量块质量；m为晶片质量；a为物体振动加速度。由式(1)、(2)可得晶片中厚度方向(z方向)任一截面上的力为 （3）式中d为晶片厚度。则平均力为 （4）因晶片为压电陶瓷，极化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿着z方向，故此时外加应力只有T3，不等于零，其平均值为 （5）式中A为晶片电极面面积。选用D型压电常数矩阵，得电荷 （6）式中d33为压电常数。由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成，而晶片很薄，即有，故式(6)通常写为 （7）由式(7)可知，压电元件的Q和d33、M成正比，根据测量电荷量就可得到加速度。4测量电路分析由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为 （8）式中A为晶片电极面面积；为压电材料的相对介电常数；为真空介电常数。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。(2)放大传感器输出的微弱信号。本设计中前置放大器采用电荷放大器。压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容、放大器的输入电阻、输人电容及压电传感器的泄漏电阻，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图2所示。图3 压电传感器测量等效电路图图中，为运算放大器增益。由于运算放大器的极高，而=1091014欧姆，所以可认为和是开路的。设运算放大器输人电压为Ui，输出电压为U0，根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为 （9）式中为反馈电容。将代入式（9）得 （10）若放大器开环增益足够大，满足时，式（10）可表示为 （11）由式(11)可知，在一定情况下，电荷放大器的出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。5传感器特性分析传感器所测量的物理量经常会发生各样的变动，传感器主要通过两个基本特性静态特性和动态特性来反映被测物理量的这种变动性。静态特性表示传感器在被测物理量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。一般情况下，输出-输入关系不完全符合所要求的线性（或非线性）关系。衡量传感器的静态特性的重要指标是：线性度、迟滞、重复性和灵敏度。5.1 迟滞特性迟滞特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入曲线不重合的程度，也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷。5.2 重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度，若特性曲线一致，重复性就好，误差也小。5.3 线性度 把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟合直线，其方程式为 （12）式中为输出量；为输入量；为轴上的截距；为直线的斜率。5.4灵敏度线性传感器的校准曲线的斜率就是其静态灵敏度，非线性传感器的灵敏度则随输入量而变化。线性传感器静态灵敏度K的计算式如下： （13）式中为输出量的变化量；为输入量的变化量；非线性传感器的灵敏度可用表示。6干扰因素分析及解决方案6.1干扰因素分析压电式加速度在冲击加速度测试过程中，经常发现加速度测试曲线在峰值加速度后存在零点漂移，这种漂移严重影响了应用结果。产生漂移的原因有： 1、基座应变的影响由于压电元件直接放置在基座上，往往具有较大的基应变灵敏度，除了有直接的基应变输出外，由于机械形变或者不均匀的加热，使传感器的安装部位产生弯曲或者延伸应变，将引起传感器的基座应变。该应变直接传递到压电元件上，导致预载荷的改变，继而导致内部元件的移动，产生一定的零漂。2、敏感材料的形变影响加速度计的动刚度不够，在受高冲击后传感器质量-弹簧系统某一环节会发生蠕变，这种蠕变主要是压电元件自身弹性系数偏低，在较大力作用下蠕变，这种蠕变使传感器发生零漂。物理现象类似于某些弹性物体受到超弹性范围的力后产生蠕变。这些蠕变就表现为幅值线性度差和零漂。而敏感元件在冲击后形变需要一定的时间恢复正常状态，在没有恢复前如果继续受到冲击，将造成传感器线性度变差，表现出来就是零漂更加严重。3、瞬变温度的影响由于压电材料的热释电效应和传感器内部应力状态随温度改变而改变，产生瞬变温度效应。瞬变温度效应是采用压电传感器测量时产生零漂的主要原因之一。4、电缆噪声传感器传输电缆承受机械振动和弯曲变形时，电缆的屏蔽层与电缆的中间绝缘层分离，由于摩擦生电效应，在分离部的内表面将产生电荷。这种不希望的电荷输出将造成传感器的输出零漂。6.2温漂解决方案1、减小瞬变温度的影响选用热释电移输出电系数小的压电晶体(如石英、锗酸铋等)为转换元件。选用剪切型压电陶瓷转换元件，因为压电陶瓷的热释电效应产生的电荷极面不在剪切极面上；因温度引起的传感器内部应力状态改变也表现在“拉压”预紧力的改变，不会产生剪切应变。瞬态温度效应引起传感器的输出，表现为5Hz以下的低频热漂移，在某些测量场合，可以采用高通滤波电路，滤除这种漂移。2、传感器外部设计措施一般屏蔽线不宜做压电传感器的输出线，需采用特制低噪声同轴射频电缆。这种电缆内绝缘层和屏蔽层之间涂有减磨材料硅油和导电石墨层，它可以有效防止电缆振动和弯曲而产生的摩擦生电效应，从而减少电缆噪声。特殊场合使用的低噪声电缆，为减少静电耦合的干扰，还有双屏蔽结构，并且在测量过程中，应将电缆紧固，以避免相对运动，电缆应该在振动最小处离开被测体。电荷放大器及后续调理电路是传感器零漂的最主要外部原因，也就是实际设计的重点。设计上不仅要消除这部分本身的不利影响，同时也要考虑通过有效的设计尽量抑制其它原因造成的零漂。首先电荷放大器的设计上既要满足频率的要求，又要满足过载的要求，同时设计又要考虑抑制零漂的原则。考虑运放的开环增益A电荷放大器运放的选用需采用具有高输入阻抗、低漂移、低噪声和宽频带的运放，在公式的推导过程中总是假设运放的开环增益足够大，但实际使用的运放的开环增益总是有限的，那么在满足测试要求的前提下，选择高开环增益的运放无疑会提高测量精度。虽然运放的开环增益会随频率发生改变，但就压电晶体型的传感器而言，因为其谐振频率一般都低于100kHz，在这一范围运放的开环增益基本上没有改变，所以影响不明显。反馈电容CF的选择 （14）由式(14)可知，反馈电容的大小决定了电荷放大器的精度，同时也决定了测试系统的精度，理论上精度随CF的提高而降低，但是从抑制零漂考虑。输入电缆漏电导gn输入电缆漏电导即输入电缆的绝缘电阻，在实际使用中曾经发现有因为输入电缆绝缘电阻小而导致信号严重漂移失真的现象。在实使用中，选用的输入电缆的绝缘阻值需要尽可能大，至少应在1013欧姆以上。7压电式加速度传感器的应用、发展前景及最新动态7.1 向高精度发展由于现在的高精尖设备特别的航空和宇航设备广泛采用压电传感器测量振动和冲击，这些被测量都比较小，传感器的精度不高就可能测不出相关的量或者即使测得了相关量但是误差比较大，这些都会影响整个系统的正常工作。因此研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快的压电传感器将成为未来研究的一个重要方向。7.2 向高可靠性、宽温度范围发展压电传感器的可靠性及温度范围直接影响到电子设备能否正常工作，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围是历来需要解决的课题，大部分传感器其工作范围都在-20-70，在军用系统中要求工作温度在-40-85范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高。7.3 向微型化方向发展 现在的大型精密系统对质量和体积大小都非常的关注，传统的大块头的压电传感器将逐步的失去其市场。随着新材料及新加工技术的开发，利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器由于具有体积非常的小、互换性及可靠性都很好的吸引力，正在逐步取代传统的压电传感器。7.4 向智能化数字化发展随着现代化的发展，压电传感器的功能已经突传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号，而是经过微电脑处理后的数字信号，有的压电传感如集成后的压电传感器其本身带有控制功能，这就是所说的数字传感器。 现代半导体技术日趋先进和成熟的情况下，未来的压电加速度传感器会与后续处理电路集成在一块，体积更小，性能却更优。 总的来说，压电式加速度传感器具有量程大、频带宽、体积小、重量轻、安装简单、适用于各种恶劣环境的优点，因此广泛的应用于航空、航天、兵器、先造船、纺织、农机、车辆、电器等各系统的振动冲击测试、机械动态实验、环境模拟试验、振动校准、模态分析、故障诊断和优化设计等。参考文献1张春京，齐玉祥。加速