張闖

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shù)學(xué)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(biāo)。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(fù)載影響，諧振頻率、高低頻響應(yīng)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(jī)的因素，如基座應(yīng)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(yīng)變

壓電傳感器是以壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。由于壓電效應(yīng)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(dá)等領(lǐng)域，并與激光、紅外等技術(shù)相結(jié)合，將成為發(fā)展新技術(shù)和高科技的重要器件?；趬弘娦?yīng)的壓電傳感器，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(biāo)。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(fù)載影響，諧振頻率、高低頻響應(yīng)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(jī)的因素，如基座應(yīng)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(chǎn)生

橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)的指標(biāo)。一只理想的單軸壓電傳感器，應(yīng)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(shí)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(chǎn)生橫向靈敏度的必要條件：一是伴隨軸向作用力的同時(shí)，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(shù)途徑

一是從設(shè)計(jì)、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(zhuǎn)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(shù)；②某些壓電材料的熱釋點(diǎn)效應(yīng)；③傳感器的結(jié)構(gòu)。環(huán)境溫度變化將使壓電材料壓電常數(shù)d、介電常數(shù)ε、電阻率ρ和彈性系數(shù)k等機(jī)電特性參數(shù)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(dǎo)致時(shí)間常數(shù)τ=RC的變化，從而使傳感器的低頻響應(yīng)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(yīng)。

某些鐵電多晶壓電材料具有熱釋電效應(yīng)。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(zhǔn)靜態(tài)測量。在測量動態(tài)參數(shù)時(shí)，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(yīng)外，還在傳感器內(nèi)部引起溫度梯度，造成各部分結(jié)構(gòu)的不均勻熱應(yīng)變。這一方面會產(chǎn)生熱應(yīng)力和寄生熱電輸出；另一方面也改變了預(yù)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(jìn)行低電平信號測量時(shí)，必須采取下列措施：

①取用剪切式、隔離基座型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，或在使用時(shí)采用隔離安裝銷。

②在壓電元件受熱沖擊的一端設(shè)置由熱導(dǎo)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(shù)材料、陶瓷及鐵鎳鈹青銅組合材料制成的溫度補(bǔ)償片，以實(shí)現(xiàn)高溫下的結(jié)構(gòu)等膨脹匹配，克服熱應(yīng)力影響。

③采用水流式冷卻裝置。當(dāng)然具有彈性預(yù)緊筒的傳感器實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(yīng)變

在實(shí)際應(yīng)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(jìn)行接觸測量。由于傳感器和試件都是質(zhì)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(jī)械特性（固有頻率）。因此，實(shí)際測量的頻響上限，并不由傳感器本身的固有頻率fn'。設(shè)傳感器和被測試件的質(zhì)量分別為m和M，則有

而且，安裝方式的不同，安裝質(zhì)量的差異，對傳感器的頻響特性影響很大，因此在應(yīng)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(chǎn)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(dāng)接觸面過于粗糙時(shí)，應(yīng)加裝特制的墊圈（其材料的彈性模量應(yīng)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(yīng)根據(jù)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(dāng)傳感器質(zhì)量遠(yuǎn)小于試件質(zhì)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(jié)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(biāo)定條件，應(yīng)限定安裝扭矩同左，扭矩要求不高安裝面有限時(shí)用，方便需絕緣時(shí)用，能隔離地電噪聲干擾安裝面受限時(shí)用，方便不適于高溫、高載，用于安裝面受限時(shí)要求不高時(shí)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(jī)、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(qiáng)聲中工作將受到聲波震動激勵而產(chǎn)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(shù)壓電傳感器設(shè)計(jì)成隔離基座和獨(dú)立外科結(jié)構(gòu)，聲噪聲影響極小。

電纜噪聲是同軸電纜振動或彎曲變形時(shí)，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(chǎn)生的靜電感應(yīng)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(gòu)成測量系統(tǒng)后，由于不同點(diǎn)位處的多點(diǎn)接地，形成了接地回路和回路電流所致。克服的根本途徑是消除接地回路。常用的方法是在安裝傳感器時(shí)，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(diǎn)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(shí)際的使用環(huán)境、安裝等諸多因素有關(guān)，所以在實(shí)際測量使用中，必須根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施，才能獲得滿意的效果。

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[3]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[4]張學(xué)福.壓電晶體力和加速度傳感器[M]．成都：四川科技出版社，1985.

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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(shù)學(xué)院技師學(xué)院講師。