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机电一体化技师论文

时间:2007-10-30栏目:职教论文

  压缩式压电传感器轴向灵敏度的幅值线性度问题
  
  【关键词】压电传感器,轴向灵敏度,幅值线性度
  
  【论文摘要】简述了压电加速度传感器的结构原理。说明了该传感器灵敏度的线性度问题,分析了其正向反向灵敏度的差异与“饱和现象”,以便在生产、鉴定与使用时加以注意。
  
  压电传感器是一种利用压电效应进行机电能量转换的变换器。因为它具有若干优点,所以被广泛地应用于机械结构的振动与冲击参量的测量。压电传感器基本上有压缩式、剪切式和弯曲式3种形式。衡量这种传感器的参数有数个,其中主要是灵敏度。按照一般检定规程规定,要求采用冲击法和谐振梁法检查传感器灵敏度的幅值线性度;但各种标准规定不够确切,只是泛指幅值线性度。实质上是指检查正向灵敏度的幅值线性度。但是对于有正负极性的二次指示仪表,测量高g(1g=10 m/s2)值振动以及需要反向安装传感器的冲击情况(即测量负脉冲冲击加速度),若仅仅检查传感器的正向灵敏度幅值线性度是不够的,还应检查其“反向灵敏度线性度”,以便使传感器得出正确的测试数据。在我国,压缩式压电传感器的使用和生产量较大,为此,谈谈压缩式压电传感器的正反向灵敏度的幅值线性度问题。
  
  1 传感器的结构原理
  
  就其结构特点而言,压缩式压电传感器(加速度计)可分为3种: 边缘安装压缩式、中心安装压缩式和倒置中心安装压缩式。第三种结构形式与前两种相同,原理也相同,所不同的是其敏感元件的安装方向倒置了。所以,对于同一加速度输入,其响应极性正好相反,即轴向灵敏度的方向相反。前两种型式的传感器结构如图1.
  
  它们由预紧弹簧、惯性质量、压电晶体片、垫片、连杆、锁紧螺母、壳体和基座等组成。当固定在被测物体上的传感器随物体运动时,其惯性质量块产生惯性作用力作用在压电晶体片上,压电晶体片产生与此作用力成比例的变形,由于压电晶体片的压电效应,便产生与压电元件变形成比例的电荷,此信号由输出端引
  
  出。在此传感器中,压电晶体片既是敏感元件又是弹性元件。一般把压电晶体片看成无质量的弹簧。惯性质量块为绝对刚性。预紧弹簧与垫片的质量均忽略不计。所以该传感器可简化成单自由度系统,见图2,其固有频率为:
  
    式中: K为圆板形压电晶体片的刚度;ms为惯性质量块的质量;E为压电晶体片的杨氏模量;D为压电晶体片的直径;t为各晶体片的厚度;mb为传感器基座和壳体的质量。
  
  所谓压电传感器的轴向灵敏度就是在一定条件下其指定的电输出量与轴向指定的机械输入量的比值,即:
  
                                 
  
  检查灵敏度幅值线性度时,传感器灵敏度的方向性可根据外加轴向机械运动的方向而定;若外加运动使惯性块惯性力方向指向传感器的基座时,输出灵敏度方向为正向,若外加运动使惯性质量块的惯性力方向背向传感器基座时,输出灵敏度为负向。例如将压电传感器固定在跌落冲击台的上安装台面时,在冲击时产生的灵敏度为正向,若将压电传感器固定在其下安装台面时,冲击时产生的灵敏度为负向。而对于倒置中心安装式传感器的灵敏度刚好相反。
  
  2 正反向灵敏度的比较
  
  所谓幅值线性度检查是在规定的加速度范围内检查传感器的灵敏度随不同加速度的变化情况。幅值线性度可以采用谐振梁法和冲击法进行检查。冲击法比谐振梁法可达到的最大加速度值高得多,现介绍冲击法试验的情况。
  
  把被检定的压电传感器先后固定在G-1000型冲击装置的冲锤台面上或下面,当检查正向灵敏度时,将传感器正向固定在冲锤之上;当检查负向灵敏度时,则将它反向固定在冲锤之下。压电传感器的输出信号均经同一台B8K2626型电荷放大器放大归一化,然后由同一台2606型测量放大器再放大并指出峰值,因而排除了二次测量仪表的不同而产生的影响。该冲击装置在某一高度多次跌落冲锤时产生的加速度重复性较好;由于压电式加速度计的质量差异不大,在安装一只加速度计的情况,对于同一跌落高度,不同传感器对冲锤加速度的影响可忽略不计。通过测试发现,在同一跌落高度,当改变被测传感器时,冲击加速度的增长(或持续)时间也不变。因此只采用改变冲锤跌落高度的方法控制冲击加速度幅值。
  
  加速度幅值线性度可根据最小二乘法计算,其值为:
  
                                
  
  式中:So为截距;S为在加速度为a时的灵敏度。
  
  对于几种加速度计的测试结果示于表1.可以发现,对不同的压缩式传感器,其灵敏度幅值线性度各不相同。当输入加速度值较小时,加速度计的幅值线性度、重复性和稳定性都较好;当输入加速度值较高时( 大于1 000 m/s2),这些性能变差。对于同一只传感器,其正向与反向灵敏度有差异,发现有两方面的问题 : (1)当输入加速度

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