外界环境对压电式加速度传感器测量的影响

weixin

　　传感器横向灵敏度及横向振动的影响

　　由于压电材料自身特性，敏感芯体的结构设计和制造精度偏差使传感器不可避免地对横向振动产生输出信号，其大小由横向输出和垂直方向输出的比值百分数来表示。

　　根据不同敏感芯体结构和材料特性的组合，压缩型结构在理论上便存在横向输出，需要通过装配调节的方式给予抵消，而在实际制造过程中很难实现真正的抵消，因此，压缩型加速度传感器的横向灵敏度的离散度很大。与压缩型相比剪切型设计在理论上不存在横向输出，传感器的实际横向输出一般是由材料加工和装配精度所引起的误差。所以从这两种敏感芯体的实际对比结果来看，剪切型压电加速度传感器的横向灵敏度普遍优于压缩型式。而敏感芯体为弯曲梁结构形式的横向灵敏度一般说介于剪切型和压缩型之间。根据敏感芯体的结构特性，在其受横向振动时与垂直方向振动一样，也有相应的结构频率响应。所以横向振动也同样可能在某一频率点产生谐振，以至产生较大的横向振动偏差。

　　温度的影响

　　温度改变而引起传感器输出变化，是由压电材料(敏感芯体)特性所造成的。根据压电材料的分类，石英晶体受温度影响最小，而人工合成晶体的使用温度甚至高于石英。但在商业化的压电加速度传感器中，最多使用的压电材料还是压电陶瓷。压电陶瓷敏感芯体的输出，高温时随温度上升而增大，低温时随温度降低而减小。但传感器输出与温度间并不呈线性变化，一般说低温时的输出变化比高温时的要大。另因为各传感器的温度响应很难保持一致，所以实际使用中传感器的输出一般很少用温度系数进行修正。典型温度响应曲线或温度系数一般只作为对传感器温度特性的衡量。

　　压电陶瓷对温度响应除材料本身特性之外，生产工艺也将直接影响压电材料对温度的响应，而同种材料对温度响应的离散度更是如此。同样是锆钛酸铅材料，不同的厂商由于采用不同的生产工艺，使得相同材料的压电陶瓷因其各自的使用温度范围，温度响应和温度响应的离散度相差甚大。综合对压电材料的基础研究和生产加工工艺，目前国内压电陶瓷的温度特性与国外先进水准相比还有一定差距。为确保用户对传感器的特殊要求，部分厂商采用进口压电陶瓷，使传感器的高温使用温度可在 +250℃下长期使用，而且温度响应及其离散度都好于国产压电陶瓷。

　　不同的敏感芯体结构设计对温度的变化的响应会产生不同的结果。由于不同材料有不同的线膨胀系数，因此温度变化必然使压电材料和金属配件之间，产生因线膨胀系数不同而造成的应力变化。这种由温度产生的应力使压缩式和弯曲梁型的敏感芯体产生输出信号，有时这种温度变化引起的输出会大于振动测量信号(特别在低频测量中)。需要特别指出温度变化有稳态和瞬态两种，传感器输出灵敏度随温度变化通常是指稳态高低温度状态对信号输出的影响;瞬态温度变化对传感器输出的影响主要表现在低频测量中。

　　传感器基座应变灵敏度的影响

　　传感器受被测物体在传感器安装处应变的影响，可能导致传感器输出的变化。传感器的基座应变灵敏度一般由传感器基座刚度，传感器与被测件的接触面积以及敏感芯体结构设计形式所决定。剪切结构形式的敏感芯体与传感器基座间的接触面积很小，因而剪切芯体受基座应变的作用也相对较小，且这种应变并不直接导致压电陶瓷的输出。所以剪切敏感芯体传感器的基座应变灵敏度指标通常比压缩式的要好，在无需改变传感器的基座刚度以及与被测件的接触面积情况下(改变这两点都将影响传感器的频率响应指标)，剪切型传感器一般都能满足大部分结构测量的要求。

　　声场和磁场的影响

　　声波和磁场对传感器的作用也都可能引起信号输出，这种输出的大小与传感器灵敏度的比值被称作为压电传感器的声灵敏度和磁灵敏度。

　　  · 声灵敏度：是表示传感器在强声场的作用下，加速度传感器的输出值。加速度信号输出主要是声波通过对传感器外壳体的作用，再由外壳体传输给内部的敏感芯体而导致的信号输出。最直接减小传感器声灵敏度的方法是增加传感器外壳的厚度，绝大多数传感器的这一指标都能满足通常的测量条件。

　　  · 磁灵敏度：是表示传感器在强交变磁场作用下，加速度传感器的输出值。传感器内部敏感芯体受磁力的作用而导致信号输出，这是传感器产生磁灵敏度的基本原因。因此在传感器设计中，金属零部件尽量采用无磁或弱磁的材料是降低传感器磁灵敏度最直接的措施。另外双层屏蔽壳结构形式也能较好地减小传感器的磁灵敏度，同时还能有效地防止磁场对输出电信号的干扰。

　　来源：摘编自豆丁网《传感器的选择》