壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器摘要：本文介紹了壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，推導(dǎo)了傳感器的數(shù)學(xué)模型，并分析了測量電路，壓電傳感器的產(chǎn)生零漂現(xiàn)象的各種原因，并針對這些原因提出相應(yīng)的解決措施。關(guān)鍵詞：壓電式；加速度傳感器；零漂1引言現(xiàn)代工業(yè)和自動化生產(chǎn)過程中，非電物理量的測量和控制技術(shù)會涉及大量的動態(tài)測試問題。所謂動態(tài)測試是指量的瞬時值以及它隨時間而變化的值的確定，即被測量為變量的連續(xù)測量過程。它以動態(tài)信號為特征，研究了測試系統(tǒng)的動態(tài)特性問題，而動態(tài)測試中振動和沖擊的精確測量尤其重要。振動與沖擊測量的核心是傳感器，常用壓電加速度傳感器來獲取沖擊和振動信號。壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，質(zhì)量輕，工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、體育、制造業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。加速度傳感器作為測量物體運動狀態(tài)的一種重要的傳感器，加速度傳感器主要分為壓阻式、電容式、應(yīng)變式、壓電式、振弦式、撓性擺式、液浮擺式等類型。壓電式加速度傳感器是以壓電材料為轉(zhuǎn)換元件，將加速度輸入轉(zhuǎn)化成與之成正比的電荷或電壓輸出的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、耐高溫、固有頻率高、輸出線性好、測量的動態(tài)范圍大、安裝簡單的特點。2工作原理壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計，它也屬于慣性式傳感器。它是典型的有源傳感器。利用某些物質(zhì)如石英品體、人造壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電敏感元件是力敏元件，在外力作用下，壓電敏感元件的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測量的目的。壓電加速度傳感器的原理框圖如圖1所示，原理如圖2所示。圖2壓電加速度傳感器原理圖實際測量時，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷（電壓）。當(dāng)振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測量儀器測試出電荷（電壓）大小，從而得出物體的加速度。壓電加速度傳感器的壓敏元件采用具有壓電效應(yīng)的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。其中彈性體是傳感器的核心，其結(jié)構(gòu)決定著傳感器的各種性能和測量精度，彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣對加速度傳感器性能的好壞至關(guān)重要。3數(shù)學(xué)模型推理壓電材料可分為壓電品體和壓電陶瓷兩大類，因壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電品體的大，且采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，故本系統(tǒng)壓電元件采用壓電陶瓷，極化方向在厚度方向（z方向）。當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。設(shè)質(zhì)量塊作用于壓電元件的力為F上，支座作用于壓電元件的力為F下，則有TOC\o"1-5"\h\z罕Ma （1）F=（M+m）a （2）式中M為質(zhì)量塊質(zhì)量；m為晶片質(zhì)量；a為物體振動加速度。由式（1）、（2）可得晶片中厚度方向（z方向）任一截面上的力為F=Ma+ma（1-z/d） （3）式中d為晶片厚度。則平均力為F=—Id[Ma+ma（1-z/d）]^z=（M+—m）a （4）d0 2因晶片為壓電陶瓷，極化方向在厚度方向（z方向），作用力沿著z方向，故此時外加應(yīng)力只有t3，不等于零，其平均值為T=-（M+-m）a （5）3A2式中A為晶片電極面面積。選用D型壓電常數(shù)矩陣，得電荷1、 一、Q=dTA=d（M+—m）a （6）333 33 2式中d33為壓電常數(shù)。由于質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬鎢或其他金屬制成，而晶片很薄，即有M>>m，故式（6）通常寫為Q=d33Ma （7）由式（7）可知，壓電元件的Q和d33、M成正比，根據(jù)測量電荷量就可得到加速度。4測量電路分析由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，品體上聚集正負電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為c （8）式中A為晶片電極面面積；e^為壓電材料的相對介電常數(shù)；％為真空介電常數(shù)。因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內(nèi)

阻抗很高，而輸出能量較小，因此，它的測量電路通常需接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用如下：把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。放大傳感器輸出的微弱信號。本設(shè)計中前置放大器采用電荷放大器。壓電傳感器在實際使用時與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻R?、輸人電容C.及壓電傳感器的泄漏電阻勺，這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖2所示。圖3圖3壓電傳感器測量等效電路圖圖中，氣為運算放大器增益。由于運算放大器的R極高，而R=109?1014歐姆，所以可認為R和R是開路的。設(shè)運算放大器輸人電壓為U.，輸出電壓為U。，根據(jù)運/a 1 0算放大器理論和電路理論得電荷量為(9)(10)Q=U(C+C+C)+(U-UC(9)(10)式中CF為反饋電容。將U0=-AU代入式(9)得akq(C+C+C)+(1+A)Cf若放大器開環(huán)增益足夠大，滿足(1+Ak)Cf>>C+C+C時，式(10)可表示為(11)由式(11)可知，在一定情況下，電荷放大器的出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時，即使聯(lián)接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。5傳感器特性分析傳感器所測量的物理量經(jīng)常會發(fā)生各樣的變動，傳感器主要通過兩個基本特性一一靜態(tài)特性和動態(tài)特性來反映被測物理量的這種變動性。靜態(tài)特性表示傳感器在被測物理量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出-輸入關(guān)系。一般情況下，輸出-輸入關(guān)系不完全符合所要求的線性（或非線性）關(guān)系。衡量傳感器的靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是：線性度、遲滯、重復(fù)性和靈敏度。5.1遲滯特性遲滯特性表明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g輸出-輸入曲線不重合的程度，也就是說，對應(yīng)于同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不相等，遲滯反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷。5.2重復(fù)性重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度，若特性曲線一致，重復(fù)性就好，誤差也小。5.3線性度把傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成直線，作為傳感器特性的擬合直線，其方程式為y=kx+b （12）式中y為輸出量；x為輸入量；b為y軸上的截距；k為直線的斜率。5.4靈敏度線性傳感器的校準(zhǔn)曲線的斜率就是其靜態(tài)靈敏度，非線性傳感器的靈敏度則隨輸入量而變化。線性傳感器靜態(tài)靈敏度K的計算式如下：k=y （13）x式中y為輸出量的變化量；x為輸入量的變化量；非線性傳感器的靈敏度可用did表示。6干擾因素分析及解決方案6.1干擾因素分析壓電式加速度在沖擊加速度測試過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)加速度測試曲線在峰值加速度后存在零點漂移，這種漂移嚴重影響了應(yīng)用結(jié)果。產(chǎn)生漂移的原因有：1、基座應(yīng)變的影響由于壓電元件直接放置在基座上，往往具有較大的基應(yīng)變靈敏度，除了有直接的基應(yīng)變輸出外，由于機械形變或者不均勻的加熱，使傳感器的安裝部位產(chǎn)生彎曲或者延伸應(yīng)變，將引起傳感器的基座應(yīng)變。該應(yīng)變直接傳遞到壓電元件上，導(dǎo)致預(yù)載荷的改變，繼而導(dǎo)致內(nèi)部元件的移動，產(chǎn)生一定的零漂。2、 敏感材料的形變影響加速度計的動剛度不夠，在受高沖擊后傳感器質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)會發(fā)生蠕變，這種蠕變主要是壓電元件自身彈性系數(shù)偏低，在較大力作用下蠕變，這種蠕變使傳感器發(fā)生零漂。物理現(xiàn)象類似于某些彈性物體受到超彈性范圍的力后產(chǎn)生蠕變。這些蠕變就表現(xiàn)為幅值線性度差和零漂。而敏感元件在沖擊后形變需要一定的時間恢復(fù)正常狀態(tài)，在沒有恢復(fù)前如果繼續(xù)受到?jīng)_擊，將造成傳感器線性度變差，表現(xiàn)出來就是零漂更加嚴重。3、 瞬變溫度的影響由于壓電材料的熱釋電效應(yīng)和傳感器內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)隨溫度改變而改變，產(chǎn)生瞬變溫度效應(yīng)。瞬變溫度效應(yīng)是采用壓電傳感器測量時產(chǎn)生零漂的主要原因之一。4、 電纜噪聲傳感器傳輸電纜承受機械振動和彎曲變形時，電纜的屏蔽層與電纜的中間絕緣層分離，由于摩擦生電效應(yīng)，在分離部的內(nèi)表面將產(chǎn)生電荷。這種不希望的電荷輸出將造成傳感器的輸出零漂。6.2溫漂解決方案1、減小瞬變溫度的影響選用熱釋電移輸出電系數(shù)小的壓電晶體（如石英、鍺酸鉍等）為轉(zhuǎn)換元件。選用剪切型壓電陶瓷轉(zhuǎn)換元件，因為壓電陶瓷的熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極面不在剪切極面上；因溫度引起的傳感器內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)改變也表現(xiàn)在“拉壓”預(yù)緊力的改變，不會產(chǎn)生剪切應(yīng)變。瞬態(tài)溫度效應(yīng)引起傳感器的輸出，表現(xiàn)為5Hz以下的低頻熱漂移，在某些測量場合，可以采用高通濾波電路，濾除這種漂移。2、傳感器外部設(shè)計措施一般屏蔽線不宜做壓電傳感器的輸出線，需采用特制低噪聲同軸射頻電纜。這種電纜內(nèi)絕緣層和屏蔽層之間涂有減磨材料硅油和導(dǎo)電石墨層，它可以有效防止電纜振動和彎曲而產(chǎn)生的摩擦生電效應(yīng)，從而減少電纜噪聲。特殊場合使用的低噪聲電纜，為減少靜電耦合的干擾，還有雙屏蔽結(jié)構(gòu)，并且在測量過程中，應(yīng)將電纜緊固，以避免相對運動，電纜應(yīng)該在振動最小處離開被測體。電荷放大器及后續(xù)調(diào)理電路是傳感器零漂的最主要外部原因，也就是實際設(shè)計的重點。設(shè)計上不僅要消除這部分本身的不利影響，同時也要考慮通過有效的設(shè)計盡量抑制其它原因造成的零漂。首先電荷放大器的設(shè)計上既要滿足頻率的要求，又要滿足過載的要求，同時設(shè)計又要考慮抑制零漂的原則?？紤]運放的開環(huán)增益A電荷放大器運放的選用需采用具有高輸入阻抗、低漂移、低噪聲和寬頻帶的運放，在公式的推導(dǎo)過程中總是假設(shè)運放的開環(huán)增益足夠大，但實際使用的運放的開環(huán)增益總是有限的，那么在滿足測試要求的前提下，選擇高開環(huán)增益的運放無疑會提高測量精度。雖然運放的開環(huán)增益會隨頻率發(fā)生改變，但就壓電品體型的傳感器而言，因為其諧振頻率一般都低于100kHz，在這一范圍運放的開環(huán)增益基本上沒有改變，所以影響不明顯。反饋電容cf的選擇UQ （14）CF由式（14）可知，反饋電容的大小決定了電荷放大器的精度，同時也決定了測試系統(tǒng)的精度，理論上精度隨CF的提高而降低，但是從抑制零漂考慮。輸入電纜漏電導(dǎo)gn輸入電纜漏電導(dǎo)即輸入電纜的絕緣電阻，在實際使用中曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)有因為輸入電纜絕緣電阻小而導(dǎo)致信號嚴重漂移失真的現(xiàn)象。在實使用中，選用的輸入電纜的絕緣阻值需要盡可能大，至少應(yīng)在1013歐姆以上。7壓電式加速度傳感器的應(yīng)用、發(fā)展前景及最新動態(tài)7.1向高精度發(fā)展由于現(xiàn)在的高精尖設(shè)備特別的航空和宇航設(shè)備廣泛采用壓電傳感器測量振動和沖擊，這些被測量都比較小，傳感器的精度不高就可能測不出相關(guān)的量或者即使測得了相關(guān)量但是誤差比較大，這些都會影響整個系統(tǒng)的正常工作。因此研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快的壓電傳感器將成為未來研究的一個重要方向。7.2向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展壓電傳感器的可靠性及溫度范圍直接影響到電子設(shè)備能否正常工作，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍是歷來需要解決的課題，大部分傳感器其工作范圍都在-20°C-70°C，在軍用系統(tǒng)中要求工作溫度在-40°C-85°C范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器的溫度要求更高。7.3向微型化方向發(fā)展現(xiàn)在的大型精密系統(tǒng)對質(zhì)量和體積大小都非常的關(guān)注，傳統(tǒng)的大塊頭的壓電傳感器將逐步的失去其市場。隨著新材料及新加工技術(shù)的開發(fā)，利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器由于具有體積非常的小、互換性及可靠性都很好的吸引力，正在逐步取代傳統(tǒng)的壓電傳感器。7.4向智能化數(shù)字化發(fā)展隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，壓電傳感器的功能已經(jīng)突傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號，而是經(jīng)過微電腦處理后的數(shù)字信號，有的壓電傳感如集成后的壓電傳感器其本身帶有控制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器。現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)日趨先進和成熟的情況下，未來的壓電加速度傳感器會與后續(xù)處理電路集成在一塊，體積更小，性能卻更優(yōu)。總的來說，壓電式加速度傳感器具有量程大、頻帶寬、體積小、重量輕、安裝簡單、適用于各種惡劣環(huán)境的優(yōu)點，因此廣泛的應(yīng)用于航空、航天、兵器、先造船、紡織、農(nóng)機、車輛、電器等各系統(tǒng)的振動沖擊測試、機械動態(tài)實驗、環(huán)境模擬試驗、振動校準(zhǔn)、模態(tài)分析、故障診斷和優(yōu)化設(shè)計等。參考文獻[1]張春京，齊玉祥。加速度計的設(shè)計和應(yīng)用領(lǐng)域[J].導(dǎo)航與控