压电式传感器原理及选型

1.压电材料
　　压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。在压电型加速度计的最常用的压电晶体为石英，其特点为工作温度范围宽，性能稳定，因此在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数比其他压电材料低得多，因此对通用型压电加速度计而言更为常用的压电材料为压电陶瓷。压电陶瓷中锆钛酸铅（PZT）是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小。必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象可以通过典型的国产传感器和进口传感器的比较得以反映，国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。

2.传感器敏感芯体的结构形式

压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：
    a.中心压缩形式–压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。
    b.剪切形式–通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上分析在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此剪切结构形式成为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中，确保剪切敏感芯体的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造中工艺中最为困难的一个环节。

c.弯曲变形梁形式- 压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形梁结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极容易产生的信号漂移，所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。
3.压电式加速度传感器的信号输出形式
    a.电荷输出型
　　传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC 范围内长期使用。
    b. 低阻抗电压输出型（IEPE）
　　IEPE 型压电加速度计即通常所称的ICP 型压电加速度计。压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。IEPE 型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电；直流供电和信号使用同一根线。通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。IEPE 型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE 传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。在振动测试中IEPE 传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

4. 灵敏度，量程和频率范围的选择
　　压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。作为选用振动传感器的一般原则：正确的选用应该基于对测量信号以下三方面的分析和估算。
o 被测振动量的大小
o 被测振动信号的频率范围
o 振动测试现场环境
以下将针对上述三个方面并参照传感器的相关技术指标对具体的选用作进一步地讨论
    a.根据被测振动量的大小加速度测量范围与灵敏度的选择
　　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1 Hz 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10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s² (40000g)。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50~100 mV/g，电荷输出型为10 ~ 50 pC/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。
    b.传感器的测量频率范围
　　传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内（±5%, ±10%, ±3dB）传感器所能测量的频率范围。频率范围的高，低限分别称为高，低频截至频率。截至频率与误差直接相关，所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。
    b.1. 传感器的高频测量范围
　　传感器的高频测量指标通常由高频截止频率来确定，而一定截止频率与对应的幅值误差相联系；所以传感器选用时不能只看截至频率，必须了解对应的幅值误差值。传感器的频率幅值误差小不仅是测量精度提高，更重要的是体现了传感器制造过程中控制安装精度偏差地能力。另外由于测量对象的振动信号频率带较宽，或传感器的固有谐振频率不够高，因而被激发的谐振信号波可能会叠加在测量频带内的信号上，造成较大的测量误差。所以在选择传感器的高频测量范围时除高频截至频率外，还应考虑谐振频率对测量信号的影响；当然这种测量频段外的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消除。
　　一般情况下传感器的高频截止频与输出信号的形式（即电荷型或低阻电压型）无关；而与传感器的结构设计，制造以及安装形式和安装质量都密切相关。以下表格是对不同型式加速度传感器的高频响应作一个定性的归类，供用户在选用时对比和参考。

b.2 传感器的低频测量范围
　　与传感器高频指标相对应，传感器的低频测量指标通常由低频截止频率来确定，同样一定低频截止频率与对应的幅值误差相关。和高频特性不同，传感器的低频特性与传感器的任何机械参数无关，而仅取决于传感器的电特性参数。当然传感器作为测量系统的某一部分，测量信号的低频特性还将受到与传感器配用的后继仪器电参数的制约。根据输出信号的不同形式，以下将对电荷输出和低阻电压输出加速度传感器分别给与讨论。
　　尽管电荷型输出加速度传感器列出低频截止频率，但一般都给予指出测量信号的低频特性由后继电荷放大器确定。在实际应用中，当电荷型传感器的芯体绝缘阻抗远大于电荷放大器输入端的输入阻抗时，由传感器和电荷放大器组成的测量系统其低频截至频率应该由电荷放大器的低频特性所决定。但是如果传感器的芯体绝缘阻抗下降，此时传感器则可能影响整个测量系统的低频特性。因此保证芯体的绝缘阻抗对电荷输出型加速度传感器的低频测量非常重要。
　　对于IEPE 传感器配用的恒流电压源，其通常的低频截至频率为0.1 Hz (-5%)。因此一般情况下测量系统的低频特性是由传感器的低频截至频率所决定。通用型传感器的低频截止频率大多为0.5 Hz~1 Hz, 专门用于低频测量的传感器低频截至频率可扩展到0.1 Hz。由于传感器的低频校验比较困难，所以制造厂商一般只提供10 Hz以上的测试数据。但传感器的低频特性与一阶高通滤波器非常吻合，所以用户可以通过实测时间常数来检查传感器的实际低频响应。