影响压电传感器工作性能的主要原因及对策

张闯

（滁州职业技术学院，安徽滁州239000）

影响压电传感器工作性能的主要原因及对策

张闯

（滁州职业技术学院，安徽滁州239000）

压电传感器，通常都需要接触测量，它的灵敏度、频率特性和重量，是衡量其工作性能的主要指标。影响压电传感器工作性能的因素很多，其中有系统因素，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、安装差异和和某些温度影响等，也有随机的因素，如基座应变、声噪声、电磁场等。

横向灵敏度；温度和湿度；安装差异及基座应变

压电传感器是以压电效应的压电器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有自发电和可逆性，因此压电器件是一种典型的双向有源传感器件。由于这种特性，压电器件已被广泛用于超声、通信、雷达等领域，并与激光、红外等技术相结合，将成为发展新技术和高科技的重要器件。基于压电效应的压电传感器，通常都需要接触测量，它的灵敏度、频率特性和重量，是衡量其工作性能的主要指标。影响压电传感器工作性能的因素很多，其中有系统因素，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、安装差异和和某些温度影响等，也有随机的因素，如基座应变、声噪声、电磁场等。在此择其主要因素分析讨论。

一、横向灵敏度

（一）.横向灵敏度的产生

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传感器，应该仅灵敏其轴向的作用力，而对横向的作用力不敏感。如对压宿式压电传感器，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，都会造成如图所示的压电传感器电轴E向与力轴Z向不重合。横向灵敏度用轴向灵敏度Kz的百分比表示，即定义为：

和

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用。

（二）.消除横向灵敏度的技术途径

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。一只较好的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。

压电传感器的横向灵敏度

二、环境温度和湿度

（一）环境温度

环境温度对压电传感器工作性能的影响主要通过三个因素：①压电材料的性能参数；②某些压电材料的热释点效应；③传感器的结构。环境温度变化将使压电材料压电常数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的变化导致时间常数τ=RC的变化，从而使传感器的低频响应变坏。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。

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，有效地办法是采用下限频率高于或等于3Hz的放大器。

瞬变温度对压电传感器的影响突出。对压电加速度传感器，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/C）来表示。瞬便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，或在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膨胀匹配，克服热应力影响。

③采用水流式冷却装置。当然具有弹性预紧筒的传感器实现起来较方便。

（二）.环境湿度

环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻，使其绝缘电阻明显下降，造成传感器低频响应变坏。因此在高湿度环境工作的压电传感器，必须采用高绝缘材料，并采取防潮湿的密封措施。

三、安装差异及基座应变

在实际应用中，压电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，两者都将互相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fn'。设传感器和被测试件的质量分别为m和M，则有

而且，安装方式的不同，安装质量的差异，对传感器的频响特性影响很大，因此在应用中，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，安装接触面要求有较高的平行度、平直度和较高的粗糙度（平直度不低于0.013mm，表面粗糙度不超过Ra=0.14μm）。当接触面过于粗糙时，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，选择合适的安装方式。压电加速传感器的不同安装特性列于下表。第三，由上式可知，只有当传感器质量远小于试件质量（m<

安装方式对压电加速度传感器性能的影响

安装方式钢螺栓粘接螺栓胶结绝缘螺栓加云母垫双面胶带磁铁吸盘手持探针性能安装谐振频率承受加速度最高最大高大高大较高大较高小中中低小说明近于标定条件，应限定安装扭矩同左，扭矩要求不高安装面有限时用，方便需绝缘时用，能隔离地电噪声干扰安装面受限时用，方便不适于高温、高载，用于安装面受限时要求不高时用、方便

四、噪声

由前述已知，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。

压电传感器在强声中工作将受到声波震动激励而产生寄生电信号输出，谓之声噪声。例如，压电加速传感器常用声灵敏度（指140dB噪声引起的等效加速输出）m·s-2/140dB表示声噪声的大小。目前大多数压电传感器设计成隔离基座和独立外科结构，声噪声影响极小。

电缆噪声是同轴电缆振动或弯曲变形时，电缆屏蔽层、绝缘层和芯线间将引起局部相对滑动摩擦和分离，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量系统后，由于不同点位处的多点接地，形成了接地回路和回路电流所致。克服的根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。

总之，影响压电传感器工作性能的原因跟实际的使用环境、安装等诸多因素有关，所以在实际测量使用中，必须根据具体情况采取相应的措施，才能获得满意的效果。

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2010-09-06

张闯（1963-），男，江苏盱眙人，滁州职业技术学院技师学院讲师。