一种压缩式压电冲击振动传感器设计

陈玉伟 黄宝民 张润发

（青岛航天半导体研究所有限公司 青岛 266071）

引言

对于轴承故障诊断的方法，国内外主要是用压电式传感器通过测量振动及用温度传感器测量温度来分析实现的[1]。国内同类型轴承故障诊断系统中所用的传感器，其内部安装结构存有一定的隐患，转换放大电路所用元件多，内部电路结构较为复杂，装配操作过程中对熟练程度相对要求较高，放大器输出信号的调试采用调试电位器的方法，会带来精度低、稳定性差的问题。在铁路机车轴承故障诊断系统中使用传感器时，由于环境恶劣，处于全天候整日的使用状态，对传感器的使用寿命是极大的考验，现实的状况是出现大量的传感器故障（损坏）[2]，而传感器又不能在线更换，由此带来的问题是既影响故障诊断系统的正常运行，又带来较大的经济损失。

为了减少或避免传感器的故障，提高传感器的可靠性，其技术发展趋势就是采用尽可能一体化的结构，尽量减少电路元件及部件的使用，采用简单的放大转换电路，可减少传感器出现故障的因素，使传感器可以长期、稳定的可靠工作，从而可保障整个故障诊断系统的正常运行。

1 传感器测量原理[3]

压缩式压电冲击振动传感器作为一种电荷输出型的惯性力传感器，它是利用压电陶瓷片的压电效应。当沿着垂直方向对其施力使之变形时，压电陶瓷片内部会产生极化现象，在其两个表面上会产生符号相反的电荷；当外力撤掉后又重新回到不带电的状态，当作用力的方向改变时电荷的极性也随之改变。在传感器和被测物一起受到一个正玄波的冲击振动时，敏感元件组件结构中的质量块加在压电陶瓷片上的力也随之变化。当压电陶瓷片受质量块惯性力的作用时，根据牛顿第二定律，惯性力是加速度的函数，则有

式中：

F—质量块作用于压电陶瓷片的力；

M—质量块的质量；

m1—压紧螺母的质量；

m2—压电陶瓷片的质量；

a—振动物体的加速度。

当被测物体的振动频率远低于传感器的谐振频率时，则力的变化与被测加速度成正比，通过测量与施加力大小相关的传感器输出信号，比对标准振动传感器的输出值就可得到物体振动时的加速度瞬时值。

压缩式压电冲击振动传感器由其转换原理所限，其输出信号是微弱的电荷，本身内阻很大，输出信号负载能力很小，给接续的放大电路设计带来不便[4]。通常要将该信号输入到高输入阻抗的放大器进行放大和阻抗变换[5]，才能将放大后的输出信号给后续指示仪表或控制系统，进而得到被测物体的加速度。

待测物体振动时，传感器底座与待测物以同一加速度运动，压电陶瓷片受到质量块与加速度相反方向的惯性力作用，在其两个表面上产生交变电荷(电压)。当待测物体的振动频率远低于传感器的谐振频率时，传感器的输出电荷量(电压)与作用力成正比。由于传感器的输出信号是微弱的电荷，而其本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器的电荷信号先输到高输入阻抗的前置放大器经过阻抗变换后才可给指示仪表，进而得到被测物体的加速度。

2 传感器结构设计

压电冲击振动传感器的敏感元件组件结构主要是中心压缩式的，其结构设计主要有敏感元件组件、壳体及引出线装置。敏感元件组件是在一个有安装螺纹的不锈钢基座上加工出一个螺杆，将绝缘片、电极片、压电陶瓷片及质量块用压紧螺母拧紧在基座的螺杆上，引出线装置能保证传感器输出信号线与壳体之间的密封。传感器的尺寸越大，其谐振频率就会越低，设计传感器外壳时必须要权衡结构尺寸、外壳质量的影响和频率响应特性之间的利弊关系。

传感器基座设计有标准螺纹接头，小尺寸或小质量的基座会降低传感器的谐振频率，但也要满足安装强度的要求；选用薄的压电陶瓷片能减小质量、提高刚度，进而使谐振频率提高；质量块的截面应比压电陶瓷片要稍大一点，应该考虑到压紧螺母和压电陶瓷片的质量也是惯性质量的一部分。

传感器的外壳材料全部采用不锈钢，外壳分为传感器底座（底座顶部安装敏感元件组件）、壳体及引出装置三部分，外壳的三个部分用螺纹连接在一起后，再用激光焊接使传感器形成全焊接的密封结构。其结构组成如图1所示。

3 传感器放大电路设计

压电冲击振动传感器受力后产生高输出阻抗的电荷，在低频、小振幅振动时的加速度数值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，且信噪比很低。由于传输导线、放大电路和压电陶瓷片均可能产生电荷泄漏，为保证测量准确度，需要把电荷泄漏减少到所要求的限度以内，须用高输入阻抗的放大器作为传感器的信号放大电路。

图1 传感器结构组成

压电冲击振动传感器的放大电路与传感器一般不是一体化结构，传感器与放大电路之间要用一定长度的导线连接在一起，所需要的放大电路一般是电荷放大器。而电荷放大电路较为复杂，所需电路元件多，电路板的面积大，若做成一体化传感器时体积会较大，传感器的谐振频率很难做高。若要求传感器既要有较高的谐振频率，又要缩小传感器的体积及质量，就必须减少电路中的元件数量，减小元件的封装尺寸。基于此，放大器选择了高输入阻抗的仪表放大器U1（AD8220），U2作为单电源放大器放大交流信号的参考电压，在放大器的周围仅需少量元件就可组成高性能的信号放大电路。设计传感器的放大电路如图2所示。

4 传感器性能的影响因素

1）敏感元件组件是由质量块、绝缘片、电极片及压电陶瓷片固定在与底座加工成一体的螺杆上用压紧螺母拧紧构成的，传感器全天候和经久不停息的运行，必将产生压电陶瓷片与质量块的微小松动，由此会使传感器的输出信号产生误差或故障。若将压紧螺母与螺杆连接处用激光焊接在一起形成一体结构，从而可保证传感器在长期振动的环境中可靠工作。

2）传感器的环境温度剧烈变化时，热胀冷缩造成的机械形变会使质量块与压电陶瓷片间产生细微的距离变化，质量块对压电陶瓷的预压力也将会发生变化，从而引起压电陶瓷片压电系数较大的永久性漂移。通过试验发现，如果预先将敏感元件组件先行上限（使用）温度的老化，这种漂移将大大减小。

图2 传感器放大电路

3）传感器放大电路中的器件参数是影响传感器频响特性的，通过调整放大电路中输入电阻R1、R2及输入电容C1、C2的数值可改善传感器的输出频响，在传感器的标定振动台上可测试传感器的频率响应特性。

4）若传感器的信号地与其外壳直接相连后再接大地，其输出信号是不会受到干扰的，但这只能在实验室内使用，当将传感器置于测量现场，特别是用于恶劣现场的铁路机车上时，可能会使放大电路不能正常工作乃至被损坏。因此，要让信号地与外壳间有交流通路又不能直接相连。经过试验，在传感器信号地与传感器外壳（PE，接大地）间用一个小容量的电容C5相连，便克服了传感器信号失真及抗干扰的问题，也间接解决了传感器的电磁兼容问题。

5 结束语

压缩式压电冲击振动传感器通过将敏感元件组件局部焊接并与放大转换电路装配形成一体化结构，减小了传感器的体积和质量，能实现较高的谐振频率，改善了以往传感器抗恶劣环境差、稳定性和可靠性不高的缺点，放大电路中所用元件少、电路简单、易于操作装配，进行工艺研究后可批量生产，有望批量用于铁路机车轴承的故障诊断系统，可实现较大的经济效益和社会效益。