DOI :10. 13873/j . 1000-97871999. 03. 005
传感器技术(Jour nal of T ransducer T echnology ) 1999年第18卷第3期16
影响压电式传感器工作性能的主要因素
郭海文 孙改平
(华北矿业高等专科学校机电系, 北京101601)
摘 要 压电式传感器通常都需要接触测量, 它的灵敏度、频响特性和重量, 是衡量其工作性能的主要指标。分析讨论了影响其工作性能的主要因素。
关键词 传感器 灵敏度 工作性能
Chief Factors About Affecting Work Capability of
Piezoelectric Sensor
Guo Haiwen Sun Gaiping
(Department of Machinery &Electricity , North C hina Mining C ollege , Beij ing 101601)
A bstract Piezoelectric senso r of piezoelectric effect often requires contact measurement ; its sensitivety , fre -quency -response characteristic and w eight are main elements to judge its work capability . A discussio n about its chief factors of affecting work capability is analy zed .
Key Words Senso r Sensitivety W ork capability
0 引 言
影响压电式传感器工作性能的因素很多; 其中有系统的因素, 如传感器重量的负载影响、谐振频率、高低频响应相移的影响, 以及横向灵敏度、安装差异和某些温度影响等; 也有随机的因素, 如基座应变、声噪音、电磁场等。1 横向灵敏度[1]
横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电式传感器, 应该仅敏感其轴向的作用力, 而对横向作用力不敏感。如对于压缩式压电传感器, 就要求压电元件的敏感轴(电极向) 与传感器轴线(受力向) 完全一致。但实际的压电式传感器由于压电切片、极化方向的偏差, 压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行, 以及装配、安装不精确等种种原因, 都会造成如图1所示的压电式传感器电轴E 向与力轴Z 向不重合。横向灵敏度用轴向灵敏度K z 的百分比表示, 即定义为:
最大横向灵敏度=和
一般横向灵敏度=
t
×100%K z =tg θ·cos φ×100%K y
×100%K z
=tg θ×100%
图1 压电式传感器的横向灵敏度
(1)
(2)
产生横向灵敏度的必要条件:
一是伴随轴向作
用力的同时, 存在横向力; 二是压电元件本身具有
横向压电效应。因此, 消除横向灵敏度的技术途径也相应有二:一是从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致; 二是尽量采用剪切型力—电转换方式。一只较好的压电式传感器, 最大横向灵敏度不大于5%。
2 环境温、湿度
环境温度对压电式传感器工作性能的影响主要通过三个因素:①压电材料的特性参数; ②某些压电
第3期 郭海文等:影响压电式传感器工作性能的主要因素 17
环境温度变化将使压电材料的压电常数d 、介电常数ε、电阻率ρ和弹性系数k 等机电特性参数发生变化。d 和k 的变化将影响传感器的输出灵敏度; ε和ρ的变化会导致时间常数τ=RC 的变化, 从而使传感器的低频响应变坏, 如图2所示。在必须考虑温度—尤其是高温对传感器低频特性影响的情况下, 采用电荷放大器将会得到满意的低频响应。
(3) 采用水流式冷却装置。采用具有弹性预紧筒的传感器, 实现较为方便。
环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻, 使其明显下降, 造成传感器低频响应变坏。因此在高湿度环境中工作的压电式传感器, 必须选用高绝缘材料, 并采取防潮密封措施。
3 安装差异及基座应变
在应用中, 压电式传感器总是要通过一定的方式紧密安装在被测试件上进行接触测量。由于传感器和试件都是质量—弹簧系统; 通过安装连接后, 两者将相互影响原来固有的机械特性(固有频率) 。因此, 实际测量的频响上限, 并不由传感器本身的固有频率f n 所决定; 而是取决于传感器与试件系统的安装谐振频率f ′n 。
设传感器和被测试件的质量分别为m 和M , 则有:
f n ′=f n
1+
M
(3)
[2]
而且, 安装方式的不同, 安装质量的差异, 对传感器
频响特性影响很大。因此在应用中应注意:第一, 要保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装
图2 温度对压电式传感器性能影响
而遭到破坏, 以避免横向灵敏度的产生。为此, 安装接触面要求有高的平行度、平直度和低的粗糙度(平直度不低于0. 013mm , 表面粗糙度不超过R a =0. 41μm ) 。当接触表面过于粗糙时, 应加装特制的垫圈(其材料的弹性模量应高于传感器基座材料的弹性模量) , 或涂一层硅脂、薄油膜层; 第二, 应根据承载能力和频响特性所要求的安装谐振频率, 造择合适的安装方式。压电式加速度传感器的不同安装特性列于表1; 第三, 由式(3) 可知, 只有当传感器质量远小于试件质量(m M ) 时f n ′≈f n ; 这时, 试件对传感器的耦合影响, 或传感器对试件的负载影响可减至最小。因此, 对刚度、质量和接触面小的试件, 只能用微小型压电式传感器测量。
此外, 试件表面的任何受力应变, 都将通过传感器基座直接传给压电元件, 从而产生与被测信号无关的假信号输出。基座应变影响及其消减措施, 与瞬变温度影响雷同。4 噪 声
压电元件是高阻抗、小功率元件, 极易受外界机、电振动引起的噪声干扰, 其中主要有声场、电源和接地回路噪声等。
下转第页)
某些铁电多晶压电材料具有热释电效应。通常这种热电输出只对频率低于1Hz 的缓变温度较敏感, 从而影响准静态测量。在测量动态参数时, 有效的办法是采用下限频率高于或等于3Hz 的放大器。
瞬变温度对压电式传感器的影响突出。对压电式加速度传感器, 这种影响通常用瞬变温度灵敏度(单位瞬变温度引起的热输出所等效的加速度, 即m ·s -2/℃) 来表示。瞬变温度除引起压电元件热释电效应外, 还在传感器内部引起温度梯度, 造成各部分结构的不均匀热应变。这一方面会产生热应力和寄生热电输出; 另一方面也改变了预紧力和传感器的线性度。这种热电输出的频率通常很高, 幅值随温升而增大, 大到使放大器过载。因此在高温环境进行低电平信号测量时, 必须采取下列措施:
(1) 取用剪切式、隔离基座型结构设计, 或使用时采用隔离安装销;
(2) 在压电元件受热冲击的一端设置由热导率小的材料(如某些未极化的压电陶瓷) 做成的绝热片; 或采用由大膨胀系数材料、陶瓷及铁镍铍青铜组
合材料制成的温度补偿片, 以实现高温下的结构等,
22传感器技术 第18卷
障情况要进行在人工或真实条件下的故障复现(数据同样可以进行数据采掘) , 来验证诊断知识融合的结果。将诊断知识的融合结果和检测层的数据融合结果结合, 进行特征层数据融合, 对应实现了故障诊断系统中的诊断功能。
4. 4 决策层信息融合与故障隔离
决策层融合的信息来源是特征层的数据融合结果和对策知识融合的结果, 根据决策层数据融合的结果, 可以采取相应的故障隔离策略。实现故障检测、故障诊断等故障诊断系统的最终目的就是进行故障状态下的对策, 包括故障隔离、降额使用和其他措施等。同时, 对策使用后, 其典型案例仍是宝贵的经验, 要存入数据库通过必要的数据采掘为以后的决策融合作必要的准备。5 结 论
本文在分析现代故障诊断系统的特点、多传感器信息融合的基础上, 提出了具有数据采掘功能的基于信息融合技术的故障诊断的信息处理系统的一般结构, 基于对故障诊断系统的信息融合处理模型, 研究了故障诊断系统的典型模型。该模型是具有普(上接第17页)
遍意义的, 可以推广到大型设备、生产过程等的系统监测与诊断系统中。
参 考 文 献
1 Intelligence Fusion Pushed . Aviation Week and Space Technology ,
1979. 205～211
2 Waltz E , Llinas J . M ultis ensor Data Fusion . Artech House , 1991. 35
～42
3 康耀红. 数据融合理论与应用. 西安电子科技大学出版社, 1997. 5
～30
4 罗森林. 多源信息处理技术———数据融合. 系统工程与电子技术,
1998, 6:61～65
5 郁文贤. 多传感器信息融合技术述评. 国防科技大学学报, 1994,
16(3) :1～11
6 覃祖旭. 信息融合的一般过程及在故障诊断中的应用. 测控技术,
1995, 14(3) :15～17
·作者简介·
张彦铎, 男, 1971年出生。1994年毕业于哈尔滨工程大学生产过程自动化专业, 1996年硕士毕业于哈尔滨工业大学航天工程与力学系一般力学专业。现为哈尔滨工业大学航天工程与力学系空间飞行器设计专业博士研究生。研究方向:多传感器数据融合、系统可靠性、故障诊断软件系统等。
收稿日期:1999-02-11
表1 安装方式对压电式加速度传感器性能的影响
安装方式性能
安装谐振频率承受加速度
钢螺栓最高最大近于标定条
说 明
件, 应限定安装扭矩
粘接螺栓
高大同左, 扭矩要求不高
胶 结高大安装面有限时用, 方便
绝缘螺栓加云母垫较高大需绝缘时用, 能隔离地电噪声干扰
双面胶带较高小安装面受限时用, 方便
磁铁吸盘
中中不适于高温、高载, 用于安装面受限时
手持探针
低小要求不高时用、方便
压电式传感器在强声中工作将受到声波振动激励而产生寄生电信号输出, 谓之声噪声。例如, 压电式加速度传感器常用声灵敏度(指140dB 噪声引起的等效加速度输出) m ·s -2/140dB 表示声噪声的大小。目前大多数压电式传感器设计成隔离基座和独立外壳结构, 声噪声影响极小。
电缆噪声是同轴电缆在振动或弯曲变形时, 电缆屏蔽层、绝缘层和芯线间引起局部相对滑移摩擦和分离, 而在分离层之间产生的静电感应电荷干扰, 它将混入主信号中被放大。减小电缆噪声的方法:一是在使用中固定好传感器的引出电缆; 二是选用低噪声同轴电缆。
接地回路噪声是压电传感器接入二次测量线路或仪表而构成测试系统后, 由于不同电位处的多点本途径是消除接地回路。常用的方法是在安装传感器时, 使其与接地的被测试件绝缘连接; 并在测试系统的末端一点接地, 这样就大大消除了接地回路噪声。5 结束语
以上从横向灵敏度、使用地点的温度湿度、安装差异及噪声几方面分析了压电式传感器的工作性能, 并提出了改进措施, 为设备安装工程和设计提供了理论依据和实用方法。
参 考 文 献
1 郭振芹. 非电量电测量. 北京:中国计量出版社, 1994. 42～492 王洪业. 传感器技术. 湖南:湖南科学技术出版社, 1985. 145～174
·作者简介·
郭海文, 男, 1968年生。讲师。1993年毕业于辽宁工程技术大学电气技术专业。
-
DOI :10. 13873/j . 1000-97871999. 03. 005
传感器技术(Jour nal of T ransducer T echnology ) 1999年第18卷第3期16
影响压电式传感器工作性能的主要因素
郭海文 孙改平
(华北矿业高等专科学校机电系, 北京101601)
摘 要 压电式传感器通常都需要接触测量, 它的灵敏度、频响特性和重量, 是衡量其工作性能的主要指标。分析讨论了影响其工作性能的主要因素。
关键词 传感器 灵敏度 工作性能
Chief Factors About Affecting Work Capability of
Piezoelectric Sensor
Guo Haiwen Sun Gaiping
(Department of Machinery &Electricity , North C hina Mining C ollege , Beij ing 101601)
A bstract Piezoelectric senso r of piezoelectric effect often requires contact measurement ; its sensitivety , fre -quency -response characteristic and w eight are main elements to judge its work capability . A discussio n about its chief factors of affecting work capability is analy zed .
Key Words Senso r Sensitivety W ork capability
0 引 言
影响压电式传感器工作性能的因素很多; 其中有系统的因素, 如传感器重量的负载影响、谐振频率、高低频响应相移的影响, 以及横向灵敏度、安装差异和某些温度影响等; 也有随机的因素, 如基座应变、声噪音、电磁场等。1 横向灵敏度[1]
横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电式传感器, 应该仅敏感其轴向的作用力, 而对横向作用力不敏感。如对于压缩式压电传感器, 就要求压电元件的敏感轴(电极向) 与传感器轴线(受力向) 完全一致。但实际的压电式传感器由于压电切片、极化方向的偏差, 压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行, 以及装配、安装不精确等种种原因, 都会造成如图1所示的压电式传感器电轴E 向与力轴Z 向不重合。横向灵敏度用轴向灵敏度K z 的百分比表示, 即定义为:
最大横向灵敏度=和
一般横向灵敏度=
t
×100%K z =tg θ·cos φ×100%K y
×100%K z
=tg θ×100%
图1 压电式传感器的横向灵敏度
(1)
(2)
产生横向灵敏度的必要条件:
一是伴随轴向作
用力的同时, 存在横向力; 二是压电元件本身具有
横向压电效应。因此, 消除横向灵敏度的技术途径也相应有二:一是从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致; 二是尽量采用剪切型力—电转换方式。一只较好的压电式传感器, 最大横向灵敏度不大于5%。
2 环境温、湿度
环境温度对压电式传感器工作性能的影响主要通过三个因素:①压电材料的特性参数; ②某些压电
第3期 郭海文等:影响压电式传感器工作性能的主要因素 17
环境温度变化将使压电材料的压电常数d 、介电常数ε、电阻率ρ和弹性系数k 等机电特性参数发生变化。d 和k 的变化将影响传感器的输出灵敏度; ε和ρ的变化会导致时间常数τ=RC 的变化, 从而使传感器的低频响应变坏, 如图2所示。在必须考虑温度—尤其是高温对传感器低频特性影响的情况下, 采用电荷放大器将会得到满意的低频响应。
(3) 采用水流式冷却装置。采用具有弹性预紧筒的传感器, 实现较为方便。
环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻, 使其明显下降, 造成传感器低频响应变坏。因此在高湿度环境中工作的压电式传感器, 必须选用高绝缘材料, 并采取防潮密封措施。
3 安装差异及基座应变
在应用中, 压电式传感器总是要通过一定的方式紧密安装在被测试件上进行接触测量。由于传感器和试件都是质量—弹簧系统; 通过安装连接后, 两者将相互影响原来固有的机械特性(固有频率) 。因此, 实际测量的频响上限, 并不由传感器本身的固有频率f n 所决定; 而是取决于传感器与试件系统的安装谐振频率f ′n 。
设传感器和被测试件的质量分别为m 和M , 则有:
f n ′=f n
1+
M
(3)
[2]
而且, 安装方式的不同, 安装质量的差异, 对传感器
频响特性影响很大。因此在应用中应注意:第一, 要保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装
图2 温度对压电式传感器性能影响
而遭到破坏, 以避免横向灵敏度的产生。为此, 安装接触面要求有高的平行度、平直度和低的粗糙度(平直度不低于0. 013mm , 表面粗糙度不超过R a =0. 41μm ) 。当接触表面过于粗糙时, 应加装特制的垫圈(其材料的弹性模量应高于传感器基座材料的弹性模量) , 或涂一层硅脂、薄油膜层; 第二, 应根据承载能力和频响特性所要求的安装谐振频率, 造择合适的安装方式。压电式加速度传感器的不同安装特性列于表1; 第三, 由式(3) 可知, 只有当传感器质量远小于试件质量(m M ) 时f n ′≈f n ; 这时, 试件对传感器的耦合影响, 或传感器对试件的负载影响可减至最小。因此, 对刚度、质量和接触面小的试件, 只能用微小型压电式传感器测量。
此外, 试件表面的任何受力应变, 都将通过传感器基座直接传给压电元件, 从而产生与被测信号无关的假信号输出。基座应变影响及其消减措施, 与瞬变温度影响雷同。4 噪 声
压电元件是高阻抗、小功率元件, 极易受外界机、电振动引起的噪声干扰, 其中主要有声场、电源和接地回路噪声等。
下转第页)
某些铁电多晶压电材料具有热释电效应。通常这种热电输出只对频率低于1Hz 的缓变温度较敏感, 从而影响准静态测量。在测量动态参数时, 有效的办法是采用下限频率高于或等于3Hz 的放大器。
瞬变温度对压电式传感器的影响突出。对压电式加速度传感器, 这种影响通常用瞬变温度灵敏度(单位瞬变温度引起的热输出所等效的加速度, 即m ·s -2/℃) 来表示。瞬变温度除引起压电元件热释电效应外, 还在传感器内部引起温度梯度, 造成各部分结构的不均匀热应变。这一方面会产生热应力和寄生热电输出; 另一方面也改变了预紧力和传感器的线性度。这种热电输出的频率通常很高, 幅值随温升而增大, 大到使放大器过载。因此在高温环境进行低电平信号测量时, 必须采取下列措施:
(1) 取用剪切式、隔离基座型结构设计, 或使用时采用隔离安装销;
(2) 在压电元件受热冲击的一端设置由热导率小的材料(如某些未极化的压电陶瓷) 做成的绝热片; 或采用由大膨胀系数材料、陶瓷及铁镍铍青铜组
合材料制成的温度补偿片, 以实现高温下的结构等,
22传感器技术 第18卷
障情况要进行在人工或真实条件下的故障复现(数据同样可以进行数据采掘) , 来验证诊断知识融合的结果。将诊断知识的融合结果和检测层的数据融合结果结合, 进行特征层数据融合, 对应实现了故障诊断系统中的诊断功能。
4. 4 决策层信息融合与故障隔离
决策层融合的信息来源是特征层的数据融合结果和对策知识融合的结果, 根据决策层数据融合的结果, 可以采取相应的故障隔离策略。实现故障检测、故障诊断等故障诊断系统的最终目的就是进行故障状态下的对策, 包括故障隔离、降额使用和其他措施等。同时, 对策使用后, 其典型案例仍是宝贵的经验, 要存入数据库通过必要的数据采掘为以后的决策融合作必要的准备。5 结 论
本文在分析现代故障诊断系统的特点、多传感器信息融合的基础上, 提出了具有数据采掘功能的基于信息融合技术的故障诊断的信息处理系统的一般结构, 基于对故障诊断系统的信息融合处理模型, 研究了故障诊断系统的典型模型。该模型是具有普(上接第17页)
遍意义的, 可以推广到大型设备、生产过程等的系统监测与诊断系统中。
参 考 文 献
1 Intelligence Fusion Pushed . Aviation Week and Space Technology ,
1979. 205～211
2 Waltz E , Llinas J . M ultis ensor Data Fusion . Artech House , 1991. 35
～42
3 康耀红. 数据融合理论与应用. 西安电子科技大学出版社, 1997. 5
～30
4 罗森林. 多源信息处理技术———数据融合. 系统工程与电子技术,
1998, 6:61～65
5 郁文贤. 多传感器信息融合技术述评. 国防科技大学学报, 1994,
16(3) :1～11
6 覃祖旭. 信息融合的一般过程及在故障诊断中的应用. 测控技术,
1995, 14(3) :15～17
·作者简介·
张彦铎, 男, 1971年出生。1994年毕业于哈尔滨工程大学生产过程自动化专业, 1996年硕士毕业于哈尔滨工业大学航天工程与力学系一般力学专业。现为哈尔滨工业大学航天工程与力学系空间飞行器设计专业博士研究生。研究方向:多传感器数据融合、系统可靠性、故障诊断软件系统等。
收稿日期:1999-02-11
表1 安装方式对压电式加速度传感器性能的影响
安装方式性能
安装谐振频率承受加速度
钢螺栓最高最大近于标定条
说 明
件, 应限定安装扭矩
粘接螺栓
高大同左, 扭矩要求不高
胶 结高大安装面有限时用, 方便
绝缘螺栓加云母垫较高大需绝缘时用, 能隔离地电噪声干扰
双面胶带较高小安装面受限时用, 方便
磁铁吸盘
中中不适于高温、高载, 用于安装面受限时
手持探针
低小要求不高时用、方便
压电式传感器在强声中工作将受到声波振动激励而产生寄生电信号输出, 谓之声噪声。例如, 压电式加速度传感器常用声灵敏度(指140dB 噪声引起的等效加速度输出) m ·s -2/140dB 表示声噪声的大小。目前大多数压电式传感器设计成隔离基座和独立外壳结构, 声噪声影响极小。
电缆噪声是同轴电缆在振动或弯曲变形时, 电缆屏蔽层、绝缘层和芯线间引起局部相对滑移摩擦和分离, 而在分离层之间产生的静电感应电荷干扰, 它将混入主信号中被放大。减小电缆噪声的方法:一是在使用中固定好传感器的引出电缆; 二是选用低噪声同轴电缆。
接地回路噪声是压电传感器接入二次测量线路或仪表而构成测试系统后, 由于不同电位处的多点本途径是消除接地回路。常用的方法是在安装传感器时, 使其与接地的被测试件绝缘连接; 并在测试系统的末端一点接地, 这样就大大消除了接地回路噪声。5 结束语
以上从横向灵敏度、使用地点的温度湿度、安装差异及噪声几方面分析了压电式传感器的工作性能, 并提出了改进措施, 为设备安装工程和设计提供了理论依据和实用方法。
参 考 文 献
1 郭振芹. 非电量电测量. 北京:中国计量出版社, 1994. 42～492 王洪业. 传感器技术. 湖南:湖南科学技术出版社, 1985. 145～174
·作者简介·
郭海文, 男, 1968年生。讲师。1993年毕业于辽宁工程技术大学电气技术专业。
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