發布日期：2022-10-09 點擊率：81
有關壓電加速度傳感器的靈敏度與使用問題，靈敏度的大小直接影響到傳感器對振動信號的測量，靈敏度越高其測量范圍越小，反之靈敏度越小則測量范圍越大，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(g)。
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。
加速度值傳感器的測量量程范圍是指傳感器在一定的非線性誤差范圍內所能測量的最大測量值。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，靈敏度越高其測量范圍越小，反之靈敏度越小則測量范圍越大。
IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測量范圍是由在線性誤差范圍內所允許的最大輸出信號電壓所決定，最大輸出電壓量值一般都為±5V。通過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。
當供電電壓與偏置電壓的差值小于傳感器技術指標給出的量程電壓時，傳感器的最大輸出信號就會發生畸變。
因此IEPE型加速度傳感器的偏置電壓穩定與否不僅影響到低頻測量也可能會使信號失真；這種現象在高低溫測量時需要特別注意，當傳感器的內置電路在非室溫條件下不穩定時，傳感器的偏置電壓很可能不斷緩慢地漂移而造成測量信號忽大忽小。
而電荷輸出型測量范圍則受傳感器機械剛度的制約，在同樣的條件下傳感敏感芯體受機械彈性區間非線性制約的最大信號輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過實驗來確定。一般情況下當傳感器靈敏度高，其敏感芯體的質量塊也就較大，傳感器的量程就相對較小。
同時因質量塊較大其諧振頻率就偏低這樣就較容易激發傳感器敏感芯體的諧振信號，結果使諧振波疊加在被測信號上造成信號失真輸出。
因此，在最大測量范圍選擇時，也要考慮被測信號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生。同時在量程上應有足夠的安全空間以保證信號不產生失真。
加速度傳感器靈敏度的標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)振動的輸出與標準傳感器讀得加速度值的比即為傳感器靈敏度。
對沖擊傳感器的靈敏度則通過測量被校傳感器對一系列不同沖擊加速度值的輸出響應，獲得傳感器在其測量范圍內輸入沖擊加速度值和電輸出之間的對應關系，再通過數值計算獲得與各點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。前者是指傳感器的全量程輸出為基準的誤差百分數，即無論測量值得大小其誤差均為按全量程百分數計算而得的誤差值。
按分段量程的線性誤差其計算方法與全量程偏差相同，但基準不用全量程而是以分段量程來計算誤差值。
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為200g；但當傳感器按分段量程5000g，g，g來衡量其線性誤差，其誤差仍為1%時，則傳感器在不同的3個量程段內線性誤差則分別為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用問題
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。算下來大約在10<24。但是還是基本上測不到振動曲線。
首先，確認下加速度傳感器最終輸出是什么信號，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),和輸出沒關系,你應該和5V或10V比較,因為為它們才是信號的最大輸出,設置的上限不是24,應該是5或10V。
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，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。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
壓電加速度計屬發電型傳感器，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.m/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小橫向靈敏度方向，一個優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。
壓縮式壓電加速度傳感器是感知振動信號的傳感器件，通過安裝在電力設備表面的振動傳感器獲得振動信號，從中提取特征量后結合數據處理及故障診斷方法，可有效評估運行狀態，被廣泛應用于電力設備在線監測或臨時性檢測。
按不同振動方式和傳感器結構，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。當驅動力較大而結構形變不大時，選擇d33型轉換；驅動力較小而形變大時，考慮選擇d31型轉換。
壓縮式壓電加速度傳感器如圖1所示。其由壓電材料、基座、質量塊、彈簧、螺栓等構成，壓電材料位于質量塊和基座之間，螺栓對傳感器整體起機械支撐作用。當傳感器受到外部加速度作用時，質量塊會在壓電材料上施加與輸出信號成正比的壓力，質量塊的質量越大，壓力越大，輸出信號也越大。根據傳感器振動模式可以發現，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d33影響。
圖1 壓縮式壓電振動傳感器
石維等采用固相燒結法制備了0.02BiGaO3-0.32BiScO3-0.66PbTiO3（BGSPT66）高溫壓電陶瓷，壓電系數d33約320pC/N，居里溫度可達465℃，并以此設計雙振子壓縮式壓電加速度傳感器，如圖2所示，在20~200℃溫度區間內靈敏度保持在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，頻率響應區間1.5Hz~10kHz），設計輸電導線微風振動傳感系統如圖3所示，可以實現對振動頻率1~150Hz、振動幅度0.1~1.5mm的導線振動信號的準確測量，進而計算推導得到導線動彎應變值。
圖3 導線微風振動傳感器
此外，有研究者選用PVDF壓電振動傳感器監測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，進而評估桿塔機械強度。另有研究人員將PZT壓電振動傳感器用于螺栓松動檢測，利用壓電導納譜的峰值頻率表征螺栓預緊力狀態。
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，在強沖擊下基座應變和壓電材料形變會導致傳感器輸出信號發生零點漂移和溫度漂移。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象。
本文編自2021年第7期《電工技術學報》，論文標題為“壓電材料與器件在電氣工程領域的應用”，作者為姚睿豐、王妍 等。
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在二綜合（振動、溫度）或三綜合（振動、溫度、濕度）的試驗中，振動臺正常運行中，突然功放報警，顯示【過電流】或【過負載】等各種報警，尤其是在溫度變化過程中，導致試驗不能順利進行，如下圖。在處理解決報警時發現，有時候是因為高低溫導致加速度傳感器的固定膠處松動，有時候是因為加振力計算不夠導致加振力過載，有時候根本找不到原因，重新開機又能正常繼續運行，過段時間又再現報警。真的是費時、費力、費心。
其實，這個問題主要是溫度和濕度對壓電加速度傳感器及其靈敏度的影響造成的。現在的傳感器一般密封性還是比較優良的，相對來說濕度的影響較小。也可以通過下圖所示處理（傳感器外圍包裹一層柔軟的膠皮層）來減少濕度對傳感器內部機構和接頭處同軸電纜的影響。
接下來主要討論溫度對壓電加速度傳感器的影響。加速度傳感器主要是測定物體加速度（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 應變片式加速度傳感器
4 半導體式加速度傳感器
其中，壓電型傳感器（以下統稱加速度傳感器）以其小型化、頻率范圍廣、高靈敏度、信噪比高、結構簡單、重量輕、工作可靠等優點，使用最廣泛。又分為電荷型和功放內藏型（ICP），是主要利用壓電效應的原理，自發電式和機電轉換式傳感器。壓電材料表面受力產生電荷，經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就能產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。對于這些材料，會受周邊環境溫度的影響，即所謂的分極作用（極化作用）。周邊環境溫度高，分極作用強，輸出的電荷量多，靈敏度變大;周邊環境溫度低，分極作用弱，輸出的電荷量少，靈敏度變小。從而導致試驗中加速度的響應值有變化，影響試驗的精度。尤其在控制點上的傳感器，會影響功放對動圈的驅動電流和電壓，從而導致過電流或過電壓報警。下圖為國際某著名廠家的某型號加速度傳感器的溫度特性曲線，供參考。圖中可以看出，200℃時，和常溫相比，靈敏度大概有+10%的偏差;-50℃時，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、環狀剪切式、三角剪切式，內部結構圖供參考。可以看出，三角剪切式的溫度特性最優，靈敏度偏差受溫度的影響最小。
通過加速度傳感器的溫度特性分析，高溫時電荷的輸出量大，靈敏度變大，實際控制點測得的加速度大。低溫時電荷的輸出量小，靈敏度變小，實際控制點測得的加速度小。這就是通常所說的【高溫欠試驗、低溫過試驗】。
此外，還需要考慮環境溫度突變時，由于壓敏材料的熱電效應，振動測定時，壓敏材料會輸出一個低頻率的雜波信號，也會對靈敏度有影響。研究表明，剪切型傳感器產生的雜波比壓縮型傳感器產生的雜波大約小100倍，基本上無影響。還有熱脹冷縮的原因，傳感器內部各結構的熱膨脹率是不同的，膨脹收縮不是均一的。此時，壓敏材料會受到熱應力影響，向外輸出電荷。也就是說溫度突變，會導致靈敏度不穩定，引用某經典教材上兩張圖供參考。第一張圖中可以看出，加速度靈敏度短時間內激增，然后穩定，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：
綜上所述，在綜合振動試驗中，為了解決溫度對加速傳感器靈敏度的影響，尤其是控制點傳感器靈敏度的變化影響，需要采取各種措施進行對應。
1 選擇正確的加速度傳感器，個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，根據試驗條件，在電荷放大器中使用低頻過濾功能。
3 加速度傳感器固定后，盡可能使用螺釘固定的方法。不能實現的條件下，采用固定性能優質（耐高溫、耐振動尤佳）的膠水，外加隔熱措施，如下圖。
4 對振動試驗室使用的加速度傳感器受溫度影響的特性進行了解把握，針對不同試驗選擇最優的加速度傳感器。可通過試驗得到各個傳感器的溫度特性圖，恒溫槽溫度RT→-40℃→80℃（或120℃，根據常用試驗條件決定）→20℃運行，固定各種加速度傳感器，振動控制儀160Hz，50m/s2定頻定加速度輸出給振動臺加振，得到各個加速度傳感器的加速度值，數值保存。下面是作者工作過某試驗室一些加速度傳感器溫度特性曲線圖，供參考。
上圖中，淺藍色線對應的傳感器溫度特性最優，-40℃時，與基準50m/s2的差值約為-3m/s2，80℃時，差值約為2m/s2。其他加速度傳感器，-40℃的時候，最大偏差有-8m/s2，約16%；80℃的時候，最大偏差有6m/s2，約12%。可以推測當大加速度量級或試驗溫度超過80℃時，溫度的影響還是比較大的，偏差相對來說肯定更大。
想要徹底解決溫度對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。通過本文分析和介紹，能對大家在此問題上提供一些思路和解決辦法，希望有所幫助，共同進步。
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