压电式传感器灵敏度：【图】压电加速度传感器的灵敏度与使用问题

有关压电加速度传感器的灵敏度与使用问题，灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大，提高压电式加速度传感器的灵敏度的方法。
压电加速度传感器的灵敏度问题
一、压电加速度传感器的灵敏度
传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。
灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量(加速度值)大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。
大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为1mm,频率为1Hz的信号其加速度值仅为0.04m/s2(0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10kHz的信号其加速度值可达4x105m/s2(g)。
因此，尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型(IEPE型)为50~100mV/g，电荷输出型为10~50pC/g。
加速度值传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。
IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定，最大输出电压量值一般都为±5V。通过换算就可得到传感器的最大量程，即等于最大输出电压与灵敏度的比值。需要指出的是IEPE压电传感器的量程除受非线性误差大小影响外，还受到供电电压和传感器偏置电压的制约。
当供电电压与偏置电压的差值小于传感器技术指标给出的量程电压时，传感器的最大输出信号就会发生畸变。
因此IEPE型加速度传感器的偏置电压稳定与否不仅影响到低频测量也可能会使信号失真；这种现象在高低温测量时需要特别注意，当传感器的内置电路在非室温条件下不稳定时，传感器的偏置电压很可能不断缓慢地漂移而造成测量信号忽大忽小。
而电荷输出型测量范围则受传感器机械刚度的制约，在同样的条件下传感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比IEPE型传感器的量程大得多，其值大多需通过实验来确定。一般情况下当传感器灵敏度高，其敏感芯体的质量块也就较大，传感器的量程就相对较小。
同时因质量块较大其谐振频率就偏低这样就较容易激发传感器敏感芯体的谐振信号，结果使谐振波叠加在被测信号上造成信号失真输出。
因此，在最大测量范围选择时，也要考虑被测信号频率组成以及传感器本身的自振谐振频率，避免传感器的谐振分量产生。同时在量程上应有足够的安全空间以保证信号不产生失真。
加速度传感器灵敏度的标定方法通常采用比较法检定，被校传感器在特定频率(通常为159Hz或80Hz)振动的输出与标准传感器读得加速度值的比即为传感器灵敏度。
对冲击传感器的灵敏度则通过测量被校传感器对一系列不同冲击加速度值的输出响应，获得传感器在其测量范围内输入冲击加速度值和电输出之间的对应关系，再通过数值计算获得与各点之间差值最小的直线，而这直线的斜率即是传感器的冲击灵敏度。
冲击传感器的非线性误差可以有两种方法表示：全量程偏差或按分段量程的线性误差。前者是指传感器的全量程输出为基准的误差百分数，即无论测量值得大小其误差均为按全量程百分数计算而得的误差值。
按分段量程的线性误差其计算方法与全量程偏差相同，但基准不用全量程而是以分段量程来计算误差值。
例如，量程为g的传感器，如全量程偏差为1%，其线性误差在全量程内为200g；但当传感器按分段量程5000g，g，g来衡量其线性误差，其误差仍为1%时，则传感器在不同的3个量程段内线性误差则分别为50g，100g，200g。
二、如何提高压电式加速度传感器的灵敏度
提高压电式加速度传感器的灵敏度的方法，是增加放大器。
三、加速度传感器的灵敏度的应用问题
需要加速度传感器，选择方法：最大加速度*灵敏度<输出电荷值。算下来大约在10<24。但是还是基本上测不到振动曲线。 首先，确认下加速度传感器最终输出是什么信号，你的24是什么，是供电吗，可以告诉你传感器核心供电一般是5v或10V,24v是整体电路的供电,可不是传感器的供电(感应元件) 是24V，在哪里能看到核心供电呢？最终输出的是电压值。 传感器输出一般为5V或10V的(最大值),而24V就是供电(辅助),和输出没关系,你应该和5V或10V比较,因为为它们才是信号的最大输出,设置的上限不是24,应该是5或10V。

压电式传感器灵敏度：压电式加速度传感器的灵敏度

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g=9.m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。

对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向(垂直于加速度计轴线)振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度(即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度)的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

压电式传感器灵敏度：河海大学科研团队发表IGBT模块寿命评估的综述文章

压缩式压电加速度传感器是感知振动信号的传感器件，通过安装在电力设备表面的振动传感器获得振动信号，从中提取特征量后结合数据处理及故障诊断方法，可有效评估运行状态，被广泛应用于电力设备在线监测或临时性检测。
按不同振动方式和传感器结构，压电加速度传感器可分为压缩式（d33型）、剪切式（d15型）、弯曲式（d31型）等。当驱动力较大而结构形变不大时，选择d33型转换；驱动力较小而形变大时，考虑选择d31型转换。
压缩式压电加速度传感器如图1所示。其由压电材料、基座、质量块、弹簧、螺栓等构成，压电材料位于质量块和基座之间，螺栓对传感器整体起机械支撑作用。当传感器受到外部加速度作用时，质量块会在压电材料上施加与输出信号成正比的压力，质量块的质量越大，压力越大，输出信号也越大。根据传感器振动模式可以发现，压电材料输出电压方向与受力方向相同，压缩式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数d33影响。
图1  压缩式压电振动传感器
石维等采用固相烧结法制备了0.02BiGaO3-0.32BiScO3-0.66PbTiO3（BGSPT66）高温压电陶瓷，压电系数d33约320pC/N，居里温度可达465℃，并以此设计双振子压缩式压电加速度传感器，如图2所示，在20~200℃温度区间内灵敏度保持在18mVs2/mm左右。
图2  双振子高温压缩压电加速度传感器
黄新波等基于压电加速度传感器（灵敏度100±10mV/g，频率响应区间1.5Hz~10kHz），设计输电导线微风振动传感系统如图3所示，可以实现对振动频率1~150Hz、振动幅度0.1~1.5mm的导线振动信号的准确测量，进而计算推导得到导线动弯应变值。
图3  导线微风振动传感器
此外，有研究者选用PVDF压电振动传感器监测SZ451型（正伞型）500kV双回路高压输电杆塔及输电杆塔固有频率的变化，进而评估杆塔机械强度。另有研究人员将PZT压电振动传感器用于螺栓松动检测，利用压电导纳谱的峰值频率表征螺栓预紧力状态。
压缩式加速度传感器通常能承受很大的加速度冲击，而由于压电材料和基座直接连接，在强冲击下基座应变和压电材料形变会导致传感器输出信号发生零点漂移和温度漂移。选取弹性模量较高的材料或者选用剪切式压电加速度传感器（基座不与压电材料直接接触），可在一定程度抑制漂移现象。
本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。
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压电式传感器灵敏度：温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

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在二综合（振动、温度）或三综合（振动、温度、湿度）的试验中，振动台正常运行中，突然功放报警，显示【过电流】或【过负载】等各种报警，尤其是在温度变化过程中，导致试验不能顺利进行，如下图。在处理解决报警时发现，有时候是因为高低温导致加速度传感器的固定胶处松动，有时候是因为加振力计算不够导致加振力过载，有时候根本找不到原因，重新开机又能正常继续运行，过段时间又再现报警。真的是费时、费力、费心。
 其实，这个问题主要是温度和湿度对压电加速度传感器及其灵敏度的影响造成的。现在的传感器一般密封性还是比较优良的，相对来说湿度的影响较小。也可以通过下图所示处理（传感器外围包裹一层柔软的胶皮层）来减少湿度对传感器内部机构和接头处同轴电缆的影响。
接下来主要讨论温度对压电加速度传感器的影响。加速度传感器主要是测定物体加速度（速度变化率）的传感器，主要有以下4种，
1 压电型加速度传感器
2 伺服型加速度传感器
3 应变片式加速度传感器
4 半导体式加速度传感器
其中，压电型传感器（以下统称加速度传感器）以其小型化、频率范围广、高灵敏度、信噪比高、结构简单、重量轻、工作可靠等优点，使用最广泛。又分为电荷型和功放内藏型（ICP），是主要利用压电效应的原理，自发电式和机电转换式传感器。压电材料表面受力产生电荷，经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就能产生正比于所受外力的电量输出，如下图所示。
影响灵敏度的关键部位是压敏材料，主要压电材料有水晶（SiO2）、压电陶瓷、硫化锌等晶体。对于这些材料，会受周边环境温度的影响，即所谓的分极作用（极化作用）。周边环境温度高，分极作用强，输出的电荷量多，灵敏度变大;周边环境温度低，分极作用弱，输出的电荷量少，灵敏度变小。从而导致试验中加速度的响应值有变化，影响试验的精度。尤其在控制点上的传感器，会影响功放对动圈的驱动电流和电压，从而导致过电流或过电压报警。下图为国际某著名厂家的某型号加速度传感器的温度特性曲线，供参考。图中可以看出，200℃时，和常温相比，灵敏度大概有+10%的偏差;-50℃时，与常温相比，灵敏度约有-5%的偏差。
另外，制作工艺的不同，其温度特性也会各异，参照下图，从上到下分别是中心压缩式、反向中心压缩式、环状剪切式、三角剪切式，内部结构图供参考。可以看出，三角剪切式的温度特性最优，灵敏度偏差受温度的影响最小。
通过加速度传感器的温度特性分析，高温时电荷的输出量大，灵敏度变大，实际控制点测得的加速度大。低温时电荷的输出量小，灵敏度变小，实际控制点测得的加速度小。这就是通常所说的【高温欠试验、低温过试验】。
此外，还需要考虑环境温度突变时，由于压敏材料的热电效应，振动测定时，压敏材料会输出一个低频率的杂波信号，也会对灵敏度有影响。研究表明，剪切型传感器产生的杂波比压缩型传感器产生的杂波大约小100倍，基本上无影响。还有热胀冷缩的原因，传感器内部各结构的热膨胀率是不同的，膨胀收缩不是均一的。此时，压敏材料会受到热应力影响，向外输出电荷。也就是说温度突变，会导致灵敏度不稳定，引用某经典教材上两张图供参考。第一张图中可以看出，加速度灵敏度短时间内激增，然后稳定，大概6-7秒。第二张图看出，三角剪切型的传感器灵敏度受温度突变的影响比较小。
总结：
综上所述，在综合振动试验中，为了解决温度对加速传感器灵敏度的影响，尤其是控制点传感器灵敏度的变化影响，需要采取各种措施进行对应。
1  选择正确的加速度传感器，个人比较偏好三角剪切型加速度传感器，其受温度因素的影响最小。
2  可以的话，根据试验条件，在电荷放大器中使用低频过滤功能。
3  加速度传感器固定后，尽可能使用螺钉固定的方法。不能实现的条件下，采用固定性能优质（耐高温、耐振动尤佳）的胶水，外加隔热措施，如下图。
  4  对振动试验室使用的加速度传感器受温度影响的特性进行了解把握，针对不同试验选择最优的加速度传感器。可通过试验得到各个传感器的温度特性图，恒温槽温度RT→-40℃→80℃（或120℃，根据常用试验条件决定）→20℃运行，固定各种加速度传感器，振动控制仪160Hz，50m/s2定频定加速度输出给振动台加振，得到各个加速度传感器的加速度值，数值保存。下面是作者工作过某试验室一些加速度传感器温度特性曲线图，供参考。
上图中，浅蓝色线对应的传感器温度特性最优，-40℃时，与基准50m/s2的差值约为-3m/s2，80℃时，差值约为2m/s2。其他加速度传感器，-40℃的时候，最大偏差有-8m/s2，约16%；80℃的时候，最大偏差有6m/s2，约12%。可以推测当大加速度量级或试验温度超过80℃时，温度的影响还是比较大的，偏差相对来说肯定更大。
想要彻底解决温度对加速度灵敏度的影响，基本上不可能。只能利用各种有效的措施减少其影响。通过本文分析和介绍，能对大家在此问题上提供一些思路和解决办法，希望有所帮助，共同进步。