温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

在二综合(振动、温度)或三综合(振动、温度、湿度)的试验中,振动台正常运行中,突然功放报警,显示【过电流】或【过负载】等各种报警,尤其是在温度变化过程中,导致试验不能顺利进行,如下图。在处理解决报警时发现,有时候是因为高低温导致加速度传感器的固定胶处松动,有时候是因为加振力计算不够导致加振力过载,有时候根本找不到原因,重新开机又能正常继续运行,过段时间又再现报警。真的是费时、费力、费心。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

  其实,这个问题主要是温度和湿度对压电加速度传感器及其灵敏度的影响造成的。现在的传感器一般密封性还是比较优良的,相对来说湿度的影响较小。也可以通过下图所示处理(传感器外围包裹一层柔软的胶皮层)来减少湿度对传感器内部机构和接头处同轴电缆的影响。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

接下来主要讨论温度对压电加速度传感器的影响。加速度传感器主要是测定物体加速度(速度变化率)的传感器,主要有以下4种,

1 压电型加速度传感器

2 伺服型加速度传感器

3 应变片式加速度传感器

4 半导体式加速度传感器

其中,压电型传感器(以下统称加速度传感器)以其小型化、频率范围广、高灵敏度、信噪比高、结构简单、重量轻、工作可靠等优点,使用最广泛。又分为电荷型和功放内藏型(ICP),是主要利用压电效应的原理,自发电式和机电转换式传感器。压电材料表面受力产生电荷,经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就能产生正比于所受外力的电量输出,如下图所示。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

影响灵敏度的关键部位是压敏材料,主要压电材料有水晶(SiO2)、压电陶瓷、硫化锌等晶体。对于这些材料,会受周边环境温度的影响,即所谓的分极作用(极化作用)。周边环境温度高,分极作用强,输出的电荷量多,灵敏度变大;周边环境温度低,分极作用弱,输出的电荷量少,灵敏度变小。从而导致试验中加速度的响应值有变化,影响试验的精度。尤其在控制点上的传感器,会影响功放对动圈的驱动电流和电压,从而导致过电流或过电压报警。下图为国际某著名厂家的某型号加速度传感器的温度特性曲线,供参考。图中可以看出,200℃时,和常温相比,灵敏度大概有+10%的偏差;-50℃时,与常温相比,灵敏度约有-5%的偏差。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

另外,制作工艺的不同,其温度特性也会各异,参照下图,从上到下分别是中心压缩式、反向中心压缩式、环状剪切式、三角剪切式,内部结构图供参考。可以看出,三角剪切式的温度特性最优,灵敏度偏差受温度的影响最小。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

通过加速度传感器的温度特性分析,高温时电荷的输出量大,灵敏度变大,实际控制点测得的加速度大。低温时电荷的输出量小,灵敏度变小,实际控制点测得的加速度小。这就是通常所说的【高温欠试验、低温过试验】

此外,还需要考虑环境温度突变时,由于压敏材料的热电效应,振动测定时,压敏材料会输出一个低频率的杂波信号,也会对灵敏度有影响。研究表明,剪切型传感器产生的杂波比压缩型传感器产生的杂波大约小100倍,基本上无影响。还有热胀冷缩的原因,传感器内部各结构的热膨胀率是不同的,膨胀收缩不是均一的。此时,压敏材料会受到热应力影响,向外输出电荷。也就是说温度突变,会导致灵敏度不稳定,引用某经典教材上两张图供参考。第一张图中可以看出,加速度灵敏度短时间内激增,然后稳定,大概6-7秒。第二张图看出,三角剪切型的传感器灵敏度受温度突变的影响比较小。

图片

总结:

综上所述,在综合振动试验中,为了解决温度对加速传感器灵敏度的影响,尤其是控制点传感器灵敏度的变化影响,需要采取各种措施进行对应。

1  选择正确的加速度传感器,个人比较偏好三角剪切型加速度传感器,其受温度因素的影响最小。

2  可以的话,根据试验条件,在电荷放大器中使用低频过滤功能。

3  加速度传感器固定后,尽可能使用螺钉固定的方法。不能实现的条件下,采用固定性能优质(耐高温、耐振动尤佳)的胶水,外加隔热措施,如下图。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

   4  对振动试验室使用的加速度传感器受温度影响的特性进行了解把握,针对不同试验选择最优的加速度传感器。可通过试验得到各个传感器的温度特性图,恒温槽温度RT→-40℃→80℃(或120℃,根据常用试验条件决定)→20℃运行,固定各种加速度传感器,振动控制仪160Hz,50m/s2定频定加速度输出给振动台加振,得到各个加速度传感器的加速度值,数值保存。下面是作者工作过某试验室一些加速度传感器温度特性曲线图,供参考。

温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响
温度因素对压电加速度传感器灵敏度的影响

上图中,浅蓝色线对应的传感器温度特性最优,-40℃时,与基准50m/s2的差值约为-3m/s2,80℃时,差值约为2m/s2。其他加速度传感器,-40℃的时候,最大偏差有-8m/s2,约16%;80℃的时候,最大偏差有6m/s2,约12%。可以推测当大加速度量级或试验温度超过80℃时,温度的影响还是比较大的,偏差相对来说肯定更大。

想要彻底解决温度对加速度灵敏度的影响,基本上不可能。只能利用各种有效的措施减少其影响。通过本文分析和介绍,能对大家在此问题上提供一些思路和解决办法,希望有所帮助,共同进步。

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