压缩式压电传感器轴向灵敏度的幅值线性度问题.doc

压缩式压电传感器轴向灵敏度的幅值线性度问题第3期999年5月馥疗营劾1认(m(:ALMEASUREMENTTECHN0【Y实用测试技术I.铂牙03dl9q9压缩式压电传感器轴向灵敏度的幅值线?眭度问题于治会(沈阳新乐精看司,110034)压电传感器是一种利用压电效应进行机械电气能量转换的变换器.因它具有若干优点,所以被广泛地应用于机械结构的振动与冲击参量的测量.压电传感器基本上有压缩式,剪切式和弯曲式三种型式.衡量这种传感器质量好坏的参数有数个,其中,主要的是灵敏度.按照一般检定规程规定,要求采用冲击法和谐振粱法检查传感器灵敏度幅值线性度,但各种标准规定都不确切.只是泛指幅值线性度,实质上是指检查正向灵敏度的幅值线性度.但是,对于有正负极性的二次指示仪表测量高g振动以及需要反向安装传感器的冲击情况(即测量负脉冲冲击加速度),若仅仅检查传感器的正向灵敏度幅值线性是不够的,还应当检查其反向灵敏度的幅值线性度.以便使传感器得出正确的测试数据.在我国,压缩式压电传感器的使用和生产量较大,本文将简述压缩式压电传感器正反向灵敏度的幅值线性度问题.l传感器的结构原理按其结构特点而言,压缩式压电传感器(加速度计)可分为三种.边缘安装压缩式,中心安装压缩式和倒置中心安装压缩式.第三种的结构形式与前两种相伺,原理也相同;不同的是其敏感元件的安装方向倒置了.所以,目前两种传感器相比较,对于同一加速度输入,其响应极性正好相反,即轴向灵敏度方向相反.前两种型式的传感器结构如图1所示.它们都由预紧弹簧,惯性质量块,压电晶体片堆,壳体和基翻1座等组成,产生的电气输出信号由输出端引出.当固定在被测物体上的传感器基座随物体运动时,其惯性质量块产生惯性作用力作用到压电晶体片上,压电晶体片发生与此作用力成比例的形变,由于压电晶体片的压电效应,便产生与压电元件变形成比例的电荷.在此传感器中,压电晶体片既是敏感元件又是弹性元件.一般情况下,把压电晶体片看成无质量的弹簧,惯性质量块为绝对刚性,其他连结部件的(如预紧弹簧和垫片)阿噜度及某质量均忽略不计,因此传感器就简化成图2所示的质量一弹簧单自由度系统,其固有频率为=(k)(1)其中k=FarD218t(牛顿,米)(2)式中k为圆板形压电晶体片的刚度;m为惯性质量块的质量(千克);E为压电材料的相氏模量(牛顿t米);D为压电晶体片的直径(米);t为各压电晶体片的厚度(米).-35-1,j20一,弋fMI垂sBM一惯性质量S一弹簧B一基座图2所谓压电传感器的轴向灵敏度就是在一定条件下其指定的电输出量与轴f剞旨定的机械输入量的比值,即nsa(s)=()(PC/ms或W_dg)(3)ad检定灵敏度幅值线性度时,传感器灵敏度的方向性可根据外加轴向机械运动韵方向而定;此处按下述方法规定:若外加运动使惯性质量块的惯性力方向指向传感器的基座(或压电晶体片)时,输出灵敏度定为正向,若外加轴向机械运动使惯性质量块的惯性力方向背向传感器的基座时,输出灵敏度定为负向.例如,将压电传感器固定在跌落中击台的上安装台面时,在冲击时产生的灵敏度定为正向,若将压电传感器固定在其下安装面时,冲击时产生的灵敏度为负向.可以推知,在同样条件下,边缘安装压缩式,中心安装压缩式传感器灵敏度方向与倒置中心安装式传感器的灵敏度方向刚好相反.2正反向灵敏度的比较所谓幅值线性变检定,就是在规定的加速度范围内,检查加速度计的灵敏度幅值随不同加速度的变化情况.幅值线性度可以采用谐振梁法和冲击法进行检查.由于冲击法比谐振粱法可达到的最大加速度值高得多所以采用冲击法检定.在用冲击法时,冲击加速度灵敏度是个向量.冲击法试验情况如下:把披检查的各种压?36?电传懋器分别固定在)己锡市标准订霞局f一()型装苴的坤铤裔惩甄或(拉益正轴向受敏度时将加惩度计正固定冲锤之上;当检查负轴向灵敏度对,则将它反向固定在冲锤台面之下).压电传感器的输出信号全都经同一台B&K2626型电荷放大器放大,然后由同一台2606型,测量放大器指示峰值,因而排除了二次测量仪表的不同而产生的影响.G一1000型冲击装置在某一高度落下冲锤时产生的加速度重复性较好,而且义因冲锤内腔很小,只能容纳小型的压电传感器,这样以来,剥于同一降落高度,不同传感器对冲锤加速度的影响可忽略不计.通过测试发现,在同一降落高度,当改变被试传感器时,冲击加速度的增长时问不变.因此只采用改变冲锤降落高度的方法控制冲击加速度的幅值.幅值线性度可以根据最小二乘方法计算,其值为:%其中为截距,s为在加速度a时的灵敏度.为了方便起见,可直接通过数据表格定性地观察就足以说明问题了.对几种加速度计的测试结果可见表1可以看出,对于不同的压缩式传感器,其灵敏度幅值线性度各不相同.当输入加速度值较小时,传感器的幅值线性度,重复性和稳定性都较好,而当输入加速度值较高时(大于10%),这些性能变差.对于同一只传感器其正向与负向灵敏度不一样,发现两方面的问题:(1)当输人加速度幅值不太高时,传感器的正向灵敏度可以大于也可能小于其反向灵敏度,这要随不同的传感器而异;(2)当输1人加速度值较大时,压缩式压电传感器的正向与反向灵敏度的差值也髓之增加.当外加加速度幅值增加到某个量值时,其反向灵敏度出现饱和现象,即再继续增加输入加速度时.灵敏度无变化.在反恕灵敏度出现饱和现象时的加速度值称为饱和加速度a|.不同的传感器的也不一样,通过实验发现,我国生产的压缩式压电传惑器的El普遍较低,所以其反向加速度的测量范幽电较小.相对反向的饱和加速度而言,可以推知,当输入加速度增大到一定程度表1时,传感器的正向灵敏度不正常,甚至导致传感器损蜒:,进时的输入加速度值称为失效加速度.一般情况下,af>l1,从ar到一的区间称为传感器的测量加速度范围:锤高持续B&KB北京苏州福州幅州对闾正向反向iEll反向正向反向正向反向正向反向正向反向(CEO,()(g)g)(g)(g)(g)(g)(g)(g)(g)(g)(g)1o988858887.5889190881l5l15l12.5l125205l80175l80l77.5180l80180l82.5524022752303042802帅28528029029o287.52853600370360_4034104004004004103904004005o053050050550256o05205205加52051052066070066o670601.5700640.66o670700640650670840900810850_701.38408(D78D780860800830820950,1050950l050_.1.29809809609759759509501050l05Ol05O975l050901.O1000990975】町5107595OlD1O75JO5o975】唧4332型4334型YD一1型如型YD3型YD一3型.o44】螂ND蚪宁34一No1132No8.%4.3?.Nol0舛2憾5s0=5813/g=55ll3/g:7s.213/gso=40.1l3/gsD;12.913/gl2-.3原因分析一压缩式压电传感器的灵敏魔与其对加速度的响应情况有关.在分析传感器姻响应时,-般把它简化为图1所示的单自由度质量一弹簧系统模型处理.实际上,传感器是个多自由靡系统.影响系统响应的因素很多,例如,预紧弹簧,惯性质量,垫片,压电晶体片基座的几何尺寸,结构形式,材料性质有关,对于给定的传感器,这些因素一般就固定了.传感器正向与反向灵敏度的差异及瓦扁灵敏鹿的饱和现象主要与传感器零件的加工性能,工艺水平及组装方法有关.(1)正向与舡向幅值灵敏度的差异这主要与各部件间的接触刚度的不同和变化引起.实际上.压缩式压电传感器的作用原理应如图3所示.其刚性元件与弹性元件均不处于理想状态,它们相互之间存在一种接触刚度.由于各个部件加工的光洁度不同,固紧螺纹不同以及压电晶体片表面金属膜的厚度,均匀度,光洁度不同,也由于装配过程安装部件的相对位置不同及安装力矩的差异,所以部件问的接触刚度不同.这种接触刚度直接影响压电传感器系统的有效剐度.因而使各个压缩式压电传感器的灵敏度幅值线性度不一样.M一惯性质量P一压电晶体片S一弹簧w一垫片B一基座圈337接触刚度比预紧弹簧的刚度太得多,当外加加速度很小时,它的作用不明显,致使传感器的正向与反向灵敏度的幅值线性度基本相同;当外加加速度值很大时.接触刚度开始起作用,又因为接触剐度是个非线性变化的物理量,因而使传感器的线性变差,而且使其正向与反向灵敏度的幅值线性相差较大.可以推知,这种接触剐度也会影响传感器的长期稳定性.(2)饱和现象这主要是预紧弹簧的预紧力不足造成的.弹簧经过调整后,假定预紧弹簧对惯性质量块施加的预压力为f,当传感器受到轴向动态加速度作用时,则压电晶体片受到的合成压力为F=f.(5)式中m为等效惯性质量(包括预紧弹簧,垫片及压电晶体片自身的质量);当正向安装时,的符合为正,当反向安装时,的符号为负.所以,当传感器基座向上加速运动时.惯性质量块有向下运动的趋势.因而产生一个指向基座的惯性力,使压电晶体片上的压缩力增大;相反,当传感器基座向下加速运动时,惯性质量块有向上运动的趋势.产生背向基座的惯性力,则使压电晶体片上的压缩力减小.由(5)式可以看出.对于反向安装的情况,当rf时,FO.压电晶体片的压缩力不存在,它只承受自身负载的作用,所以出现所谓饱和现象.要想增大饱和加速度的数值,就得加大对预紧弹簧的预紧力.预紧弹簧对于惯性质量块的静态预压力必须远远超过传感器基座在冲击振动过程所产生的最大动态应力.可是.此预紧力不能无限增高,由(5)式可知,若增加预紧力,则在正向安装的情况,压电晶体片所承受的压缩力提高,相对地说,只有使动态应力值减小才能使传感器保持相同的强度,所以降低了失效加速度的数值.这个静态预紧力必须通过试验确定.鉴于上述分析可以看出,当被测加速度的动态范围较大时,压缩式压电传感器灵敏度的幅值线性度变差;当被测加速度超过100g时,正向与反向加速度灵敏度存在一定的偏差.对于要求测量反向冲击加速度的传感器,必须进行反向灵敏度幅值线性度的检定.以减少测量误差.检定规程对压电加速度计的幅值线性度规定比较严格,对于压缩式传感器而言,实质上是只指正向灵敏度,若兼顾反向灵敏度就会超差,为此应对其反向灵敏度的幅值线性度做专门规定.【上接第49页)9.SNS:电流传感输入接到电池负极,1s和BAT要参考这个管脚.SNS上的电压直接与通过电池的电流成比例,它用来确定怎样以及何时进入MOD开关.10.TCO:温度切断电压输入如果从1s到SNS的电压低于TCO上的电压,一个热敏电阻器(负系数)会探测到,快充或高端关闭充电将终止.一11.M6W:最大单元电压输入如果从BAT到SNS的电压超过MCV上的电压,快充或高端关闭充电将终止.12.TEMP:温度状态输出这个推f拉LED驱动显示温度在可接受的界限之外,快充和高端关闭充电将终止.13.CHG:充电状态输出这个推f拉LED驱动显示充电状态