壓縮式壓電傳感器軸向靈敏度的幅值線性度問題.doc

壓縮式壓電傳感器軸向靈敏度的幅值線性度問題第3期999年5月馥療營劾1認(rèn)(m(:ALMEASUREMENTTECHN0【Y實(shí)用測試技術(shù)I.鉑牙03dl9q9壓縮式壓電傳感器軸向靈敏度的幅值線?眭度問題于治會(沈陽新樂精看司,110034)壓電傳感器是一種利用壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)械電氣能量轉(zhuǎn)換的變換器.因它具有若干優(yōu)點(diǎn),所以被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動與沖擊參量的測量.壓電傳感器基本上有壓縮式,剪切式和彎曲式三種型式.衡量這種傳感器質(zhì)量好壞的參數(shù)有數(shù)個,其中,主要的是靈敏度.按照一般檢定規(guī)程規(guī)定,要求采用沖擊法和諧振粱法檢查傳感器靈敏度幅值線性度,但各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定都不確切.只是泛指幅值線性度,實(shí)質(zhì)上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度.但是,對于有正負(fù)極性的二次指示儀表測量高g振動以及需要反向安裝傳感器的沖擊情況(即測量負(fù)脈沖沖擊加速度),若僅僅檢查傳感器的正向靈敏度幅值線性是不夠的,還應(yīng)當(dāng)檢查其反向靈敏度的幅值線性度.以便使傳感器得出正確的測試數(shù)據(jù).在我國,壓縮式壓電傳感器的使用和生產(chǎn)量較大,本文將簡述壓縮式壓電傳感器正反向靈敏度的幅值線性度問題.l傳感器的結(jié)構(gòu)原理按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言,壓縮式壓電傳感器(加速度計(jì))可分為三種.邊緣安裝壓縮式,中心安裝壓縮式和倒置中心安裝壓縮式.第三種的結(jié)構(gòu)形式與前兩種相伺,原理也相同;不同的是其敏感元件的安裝方向倒置了.所以,目前兩種傳感器相比較,對于同一加速度輸入,其響應(yīng)極性正好相反,即軸向靈敏度方向相反.前兩種型式的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示.它們都由預(yù)緊彈簧,慣性質(zhì)量塊,壓電晶體片堆,殼體和基翻1座等組成,產(chǎn)生的電氣輸出信號由輸出端引出.當(dāng)固定在被測物體上的傳感器基座隨物體運(yùn)動時,其慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性作用力作用到壓電晶體片上,壓電晶體片發(fā)生與此作用力成比例的形變,由于壓電晶體片的壓電效應(yīng),便產(chǎn)生與壓電元件變形成比例的電荷.在此傳感器中,壓電晶體片既是敏感元件又是彈性元件.一般情況下,把壓電晶體片看成無質(zhì)量的彈簧,慣性質(zhì)量塊為絕對剛性,其他連結(jié)部件的(如預(yù)緊彈簧和墊片)阿嚕度及某質(zhì)量均忽略不計(jì),因此傳感器就簡化成圖2所示的質(zhì)量一彈簧單自由度系統(tǒng),其固有頻率為=(k)(1)其中k=FarD218t(牛頓,米)(2)式中k為圓板形壓電晶體片的剛度;m為慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量(千克);E為壓電材料的相氏模量(牛頓t米);D為壓電晶體片的直徑(米);t為各壓電晶體片的厚度(米).-35-1,j20一,弋fMI垂sBM一慣性質(zhì)量S一彈簧B一基座圖2所謂壓電傳感器的軸向靈敏度就是在一定條件下其指定的電輸出量與軸f剞旨定的機(jī)械輸入量的比值,即nsa(s)=()(PC/ms或W_dg)(3)ad檢定靈敏度幅值線性度時,傳感器靈敏度的方向性可根據(jù)外加軸向機(jī)械運(yùn)動韻方向而定;此處按下述方法規(guī)定:若外加運(yùn)動使慣性質(zhì)量塊的慣性力方向指向傳感器的基座(或壓電晶體片)時,輸出靈敏度定為正向,若外加軸向機(jī)械運(yùn)動使慣性質(zhì)量塊的慣性力方向背向傳感器的基座時,輸出靈敏度定為負(fù)向.例如,將壓電傳感器固定在跌落中擊臺的上安裝臺面時,在沖擊時產(chǎn)生的靈敏度定為正向,若將壓電傳感器固定在其下安裝面時,沖擊時產(chǎn)生的靈敏度為負(fù)向.可以推知,在同樣條件下,邊緣安裝壓縮式,中心安裝壓縮式傳感器靈敏度方向與倒置中心安裝式傳感器的靈敏度方向剛好相反.2正反向靈敏度的比較所謂幅值線性變檢定,就是在規(guī)定的加速度范圍內(nèi),檢查加速度計(jì)的靈敏度幅值隨不同加速度的變化情況.幅值線性度可以采用諧振梁法和沖擊法進(jìn)行檢查.由于沖擊法比諧振粱法可達(dá)到的最大加速度值高得多所以采用沖擊法檢定.在用沖擊法時,沖擊加速度靈敏度是個向量.沖擊法試驗(yàn)情況如下:把披檢查的各種壓?36?電傳懋器分別固定在)己錫市標(biāo)準(zhǔn)訂霞局f一()型裝苴的坤鋌裔懲甄或(拉益正軸向受敏度時將加懲度計(jì)正固定沖錘之上;當(dāng)檢查負(fù)軸向靈敏度對,則將它反向固定在沖錘臺面之下).壓電傳感器的輸出信號全都經(jīng)同一臺B&K2626型電荷放大器放大,然后由同一臺2606型,測量放大器指示峰值,因而排除了二次測量儀表的不同而產(chǎn)生的影響.G一1000型沖擊裝置在某一高度落下沖錘時產(chǎn)生的加速度重復(fù)性較好,而且義因沖錘內(nèi)腔很小,只能容納小型的壓電傳感器,這樣以來,剝于同一降落高度,不同傳感器對沖錘加速度的影響可忽略不計(jì).通過測試發(fā)現(xiàn),在同一降落高度,當(dāng)改變被試傳感器時,沖擊加速度的增長時問不變.因此只采用改變沖錘降落高度的方法控制沖擊加速度的幅值.幅值線性度可以根據(jù)最小二乘方法計(jì)算,其值為:%其中為截距,s為在加速度a時的靈敏度.為了方便起見,可直接通過數(shù)據(jù)表格定性地觀察就足以說明問題了.對幾種加速度計(jì)的測試結(jié)果可見表1可以看出,對于不同的壓縮式傳感器,其靈敏度幅值線性度各不相同.當(dāng)輸入加速度值較小時,傳感器的幅值線性度,重復(fù)性和穩(wěn)定性都較好,而當(dāng)輸入加速度值較高時(大于10%),這些性能變差.對于同一只傳感器其正向與負(fù)向靈敏度不一樣,發(fā)現(xiàn)兩方面的問題:(1)當(dāng)輸人加速度幅值不太高時,傳感器的正向靈敏度可以大于也可能小于其反向靈敏度,這要隨不同的傳感器而異;(2)當(dāng)輸1人加速度值較大時,壓縮式壓電傳感器的正向與反向靈敏度的差值也髓之增加.當(dāng)外加加速度幅值增加到某個量值時,其反向靈敏度出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,即再繼續(xù)增加輸入加速度時.靈敏度無變化.在反恕靈敏度出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時的加速度值稱為飽和加速度a|.不同的傳感器的也不一樣,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),我國生產(chǎn)的壓縮式壓電傳惑器的El普遍較低,所以其反向加速度的測量范幽電較小.相對反向的飽和加速度而言,可以推知,當(dāng)輸入加速度增大到一定程度表1時,傳感器的正向靈敏度不正常,甚至導(dǎo)致傳感器損蜒:,進(jìn)時的輸入加速度值稱為失效加速度.一般情況下,af>l1,從ar到一的區(qū)間稱為傳感器的測量加速度范圍:錘高持續(xù)B&KB北京蘇州福州幅州對閭正向反向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帥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蚪寧34一No1132No8.%4.3?.Nol0舛2憾5s0=5813/g=55ll3/g:7s.213/gso=40.1l3/gsD;12.913/gl2-.3原因分析一壓縮式壓電傳感器的靈敏魔與其對加速度的響應(yīng)情況有關(guān).在分析傳感器姻響應(yīng)時,-般把它簡化為圖1所示的單自由度質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)模型處理.實(shí)際上,傳感器是個多自由靡系統(tǒng).影響系統(tǒng)響應(yīng)的因素很多,例如,預(yù)緊彈簧,慣性質(zhì)量,墊片,壓電晶體片基座的幾何尺寸,結(jié)構(gòu)形式,材料性質(zhì)有關(guān),對于給定的傳感器,這些因素一般就固定了.傳感器正向與反向靈敏度的差異及瓦扁靈敏鹿的飽和現(xiàn)象主要與傳感器零件的加工性能,工藝水平及組裝方法有關(guān).(1)正向與舡向幅值靈敏度的差異這主要與各部件間的接觸剛度的不同和變化引起.實(shí)際上.壓縮式壓電傳感器的作用原理應(yīng)如圖3所示.其剛性元件與彈性元件均不處于理想狀態(tài),它們相互之間存在一種接觸剛度.由于各個部件加工的光潔度不同,固緊螺紋不同以及壓電晶體片表面金屬膜的厚度,均勻度,光潔度不同,也由于裝配過程安裝部件的相對位置不同及安裝力矩的差異,所以部件問的接觸剛度不同.這種接觸剛度直接影響壓電傳感器系統(tǒng)的有效剮度.因而使各個壓縮式壓電傳感器的靈敏度幅值線性度不一樣.M一慣性質(zhì)量P一壓電晶體片S一彈簧w一墊片B一基座圈337接觸剛度比預(yù)緊彈簧的剛度太得多,當(dāng)外加加速度很小時,它的作用不明顯,致使傳感器的正向與反向靈敏度的幅值線性度基本相同;當(dāng)外加加速度值很大時.接觸剛度開始起作用,又因?yàn)榻佑|剮度是個非線性變化的物理量,因而使傳感器的線性變差,而且使其正向與反向靈敏度的幅值線性相差較大.可以推知,這種接觸剮度也會影響傳感器的長期穩(wěn)定性.(2)飽和現(xiàn)象這主要是預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力不足造成的.彈簧經(jīng)過調(diào)整后,假定預(yù)緊彈簧對慣性質(zhì)量塊施加的預(yù)壓力為f,當(dāng)傳感器受到軸向動態(tài)加速度作用時,則壓電晶體片受到的合成壓力為F=f.(5)式中m為等效慣性質(zhì)量(包括預(yù)緊彈簧,墊片及壓電晶體片自身的質(zhì)量);當(dāng)正向安裝時,的符合為正,當(dāng)反向安裝時,的符號為負(fù).所以,當(dāng)傳感器基座向上加速運(yùn)動時.慣性質(zhì)量塊有向下運(yùn)動的趨勢.因而產(chǎn)生一個指向基座的慣性力,使壓電晶體片上的壓縮力增大;相反,當(dāng)傳感器基座向下加速運(yùn)動時,慣性質(zhì)量塊有向上運(yùn)動的趨勢.產(chǎn)生背向基座的慣性力,則使壓電晶體片上的壓縮力減小.由(5)式可以看出.對于反向安裝的情況,當(dāng)rf時,FO.壓電晶體片的壓縮力不存在,它只承受自身負(fù)載的作用,所以出現(xiàn)所謂飽和現(xiàn)象.要想增大飽和加速度的數(shù)值,就得加大對預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力.預(yù)緊彈簧對于慣性質(zhì)量塊的靜態(tài)預(yù)壓力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳感器基座在沖擊振動過程所產(chǎn)生的最大動態(tài)應(yīng)力.可是.此預(yù)緊力不能無限增高,由(5)式可知,若增加預(yù)緊力,則在正向安裝的情況,壓電晶體片所承受的壓縮力提高,相對地說,只有使動態(tài)應(yīng)力值減小才能使傳感器保持相同的強(qiáng)度,所以降低了失效加速度的數(shù)值.這個靜態(tài)預(yù)緊力必須通過試驗(yàn)確定.鑒于上述分析可以看出,當(dāng)被測加速度的動態(tài)范圍較大時,壓縮式壓電傳感器靈敏度的幅值線性度變差;當(dāng)被測加速度超過100g時,正向與反向加速度靈敏度存在一定的偏差.對于要求測量反向沖擊加速度的傳感器,必須進(jìn)行反向靈敏度幅值線性度的檢定.以減少測量誤差.檢定規(guī)程對壓電加速度計(jì)的幅值線性度規(guī)定比較嚴(yán)格,對于壓縮式傳感器而言,實(shí)質(zhì)上是只指正向靈敏度,若兼顧反向靈敏度就會超差,為此應(yīng)對其反向靈敏度的幅值線性度做專門規(guī)定.【上接第49頁)9.SNS:電流傳感輸入接到電池負(fù)極,1s和BAT要參考這個管腳.SNS上的電壓直接與通過電池的電流成比例,它用來確定怎樣以及何時進(jìn)入MOD開關(guān).10.TCO:溫度切斷電壓輸入如果從1s到SNS的電壓低于TCO上的電壓,一個熱敏電阻器(負(fù)系數(shù))會探測到,快充或高端關(guān)閉充電將終止.一11.M6W:最大單元電壓輸入如果從BAT到SNS的電壓超過MCV上的電壓,快充或高端關(guān)閉充電將終止.12.TEMP:溫度狀態(tài)輸出這個推f拉LED驅(qū)動顯示溫度在可接受的界限之外,快充和高端關(guān)閉充電將終止.13.CHG:充電狀態(tài)輸出這個推f拉LED驅(qū)動顯示充電狀態(tài)