張闖

（滁州職業(yè)技術學院，安徽滁州239000）

影響壓電傳感器工作性能的主要原因及對策

張闖

（滁州職業(yè)技術學院，安徽滁州239000）

壓電傳感器，通常都需要接觸測量，它的靈敏度、頻率特性和重量，是衡量其工作性能的主要指標。影響壓電傳感器工作性能的因素很多，其中有系統(tǒng)因素，如傳感器重量的負載影響，諧振頻率、高低頻響應相移的影響，以及橫向靈敏度、安裝差異和和某些溫度影響等，也有隨機的因素，如基座應變、聲噪聲、電磁場等。

橫向靈敏度；溫度和濕度；安裝差異及基座應變

壓電傳感器是以壓電效應的壓電器件為核心組成的傳感器。由于壓電效應具有自發(fā)電和可逆性，因此壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器件。由于這種特性，壓電器件已被廣泛用于超聲、通信、雷達等領域，并與激光、紅外等技術相結合，將成為發(fā)展新技術和高科技的重要器件?；趬弘娦膲弘妭鞲衅?，通常都需要接觸測量，它的靈敏度、頻率特性和重量，是衡量其工作性能的主要指標。影響壓電傳感器工作性能的因素很多，其中有系統(tǒng)因素，如傳感器重量的負載影響，諧振頻率、高低頻響應相移的影響，以及橫向靈敏度、安裝差異和和某些溫度影響等，也有隨機的因素，如基座應變、聲噪聲、電磁場等。在此擇其主要因素分析討論。

一、橫向靈敏度

（一）.橫向靈敏度的產生

橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應的指標。一只理想的單軸壓電傳感器，應該僅靈敏其軸向的作用力，而對橫向的作用力不敏感。如對壓宿式壓電傳感器，就要求壓電元件的敏感軸（電極向）與傳感器軸線（受力向）完全一致。但實際的壓電傳感器由于壓電切片、極化方向的偏差，壓電片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及裝配、安裝不精確等種種原因，都會造成如圖所示的壓電傳感器電軸E向與力軸Z向不重合。橫向靈敏度用軸向靈敏度Kz的百分比表示，即定義為：

和

產生橫向靈敏度的必要條件：一是伴隨軸向作用力的同時，存在橫向力；二是壓電元件本身具有橫向壓電效用。

（二）.消除橫向靈敏度的技術途徑

一是從設計、工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致；二是盡量采用剪切型力---電轉換方式。一只較好的壓電傳感器，最大橫向靈敏度不大于5%。

壓電傳感器的橫向靈敏度

二、環(huán)境溫度和濕度

（一）環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對壓電傳感器工作性能的影響主要通過三個因素：①壓電材料的性能參數；②某些壓電材料的熱釋點效應；③傳感器的結構。環(huán)境溫度變化將使壓電材料壓電常數d、介電常數ε、電阻率ρ和彈性系數k等機電特性參數發(fā)生變化。d和k的變化將影響傳感器的輸出靈敏度；ε和ρ的變化導致時間常數τ=RC的變化，從而使傳感器的低頻響應變壞。在必須考慮溫度——尤其是高溫對傳感器低頻特性影響的情況下，采用電荷放大器將會得到滿意的低頻響應。

某些鐵電多晶壓電材料具有熱釋電效應。通常這種熱電輸出只對頻率低于1Hz的緩變溫度較敏感，從而影響準靜態(tài)測量。在測量動態(tài)參數時，有效地辦法是采用下限頻率高于或等于3Hz的放大器。

瞬變溫度對壓電傳感器的影響突出。對壓電加速度傳感器，這種影響通常用瞬變溫度靈敏度（單位瞬變溫度引起的熱輸出所等效的加速度，即m·s-2/C）來表示。瞬便溫度除引起壓電元件熱釋電效應外，還在傳感器內部引起溫度梯度，造成各部分結構的不均勻熱應變。這一方面會產生熱應力和寄生熱電輸出；另一方面也改變了預緊力和傳感器的線性度。這種熱電輸出的頻率通常很高，幅值隨溫升而增大，大到使放大器過載。因此在高溫環(huán)境進行低電平信號測量時，必須采取下列措施：

①取用剪切式、隔離基座型結構設計，或在使用時采用隔離安裝銷。

②在壓電元件受熱沖擊的一端設置由熱導率小的材料（如某些未極化的壓電陶瓷）做成的絕熱片；或采用由大膨脹系數材料、陶瓷及鐵鎳鈹青銅組合材料制成的溫度補償片，以實現高溫下的結構等膨脹匹配，克服熱應力影響。

③采用水流式冷卻裝置。當然具有彈性預緊筒的傳感器實現起來較方便。

（二）.環(huán)境濕度

環(huán)境濕度主要影響壓電元件的絕緣電阻，使其絕緣電阻明顯下降，造成傳感器低頻響應變壞。因此在高濕度環(huán)境工作的壓電傳感器，必須采用高絕緣材料，并采取防潮濕的密封措施。

三、安裝差異及基座應變

在實際應用中，壓電傳感器總是要通過一定的方式緊密安裝在被測試件上進行接觸測量。由于傳感器和試件都是質量-彈簧系統(tǒng)，通過安裝連接后，兩者都將互相影響原來固有的機械特性（固有頻率）。因此，實際測量的頻響上限，并不由傳感器本身的固有頻率fn'。設傳感器和被測試件的質量分別為m和M，則有

而且，安裝方式的不同，安裝質量的差異，對傳感器的頻響特性影響很大，因此在應用中，第一，要保證傳感器的敏感軸向與受力向的一致性不因安裝而遭到破壞，以避免橫向靈敏度的產生。為此，安裝接觸面要求有較高的平行度、平直度和較高的粗糙度（平直度不低于0.013mm，表面粗糙度不超過Ra=0.14μm）。當接觸面過于粗糙時，應加裝特制的墊圈（其材料的彈性模量應高于傳感器基座材料的彈性模量），或涂一層硅脂、薄油膜層。第二，應根據承載能力和頻響特性所要求的安裝諧振頻率，選擇合適的安裝方式。壓電加速傳感器的不同安裝特性列于下表。第三，由上式可知，只有當傳感器質量遠小于試件質量（m<

安裝方式對壓電加速度傳感器性能的影響

安裝方式鋼螺栓粘接螺栓膠結絕緣螺栓加云母墊雙面膠帶磁鐵吸盤手持探針性能安裝諧振頻率承受加速度最高最大高大高大較高大較高小中中低小說明近于標定條件，應限定安裝扭矩同左，扭矩要求不高安裝面有限時用，方便需絕緣時用，能隔離地電噪聲干擾安裝面受限時用，方便不適于高溫、高載，用于安裝面受限時要求不高時用、方便

四、噪聲

由前述已知，壓電元件是高阻抗、小功率元件，極易受外界機、電振動引起的噪聲干擾，其中主要有聲場、電源和接地回路噪聲等。

壓電傳感器在強聲中工作將受到聲波震動激勵而產生寄生電信號輸出，謂之聲噪聲。例如，壓電加速傳感器常用聲靈敏度（指140dB噪聲引起的等效加速輸出）m·s-2/140dB表示聲噪聲的大小。目前大多數壓電傳感器設計成隔離基座和獨立外科結構，聲噪聲影響極小。

電纜噪聲是同軸電纜振動或彎曲變形時，電纜屏蔽層、絕緣層和芯線間將引起局部相對滑動摩擦和分離，而在分離層之間產生的靜電感應電荷干擾，它將混入主信號中被放大。減小電纜噪聲的方法：一是在使用中固定好傳感器的引出電纜；二是選用低噪聲同軸電纜。

接地回路噪聲是壓電傳感器接入二次測量線路或儀表而構成測量系統(tǒng)后，由于不同點位處的多點接地，形成了接地回路和回路電流所致?？朔母就緩绞窍拥鼗芈贰３Ｓ玫姆椒ㄊ窃诎惭b傳感器時，使其與接地的被測試件絕緣連接，并在測試系統(tǒng)的末端一點接地。這樣就大大消除了接地回路噪聲。

總之，影響壓電傳感器工作性能的原因跟實際的使用環(huán)境、安裝等諸多因素有關，所以在實際測量使用中，必須根據具體情況采取相應的措施，才能獲得滿意的效果。

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1671-5993（2010）04-0068-03

2010-09-06

張闖（1963-），男，江蘇盱眙人，滁州職業(yè)技術學院技師學院講師。