壓電式微壓傳感器靈敏度的測(cè)量方案

所周知,壓電式壓力傳感器的性能主要用瞬變壓力信號(hào)發(fā)生器和正弦信號(hào)發(fā)生器測(cè)量。瞬變壓力信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生階躍波或其他非周期信號(hào)的壓力發(fā)生器,目前,主要用激波管階躍壓力發(fā)生器,它利用激波在流體中傳播或者在一個(gè)剛性表面上反射產(chǎn)生階躍壓力,以激發(fā)傳感器的自振,它尤其適用于測(cè)量高頻響應(yīng)的壓力傳感器。正弦信號(hào)發(fā)生器是一種產(chǎn)生正弦壓力信號(hào)的裝置,分為以下幾類:

(1)諧振空腔測(cè)量法:這種方法通常采用活塞、汽笛等激發(fā)密閉空腔的空氣振動(dòng),產(chǎn)生周期變化的壓力。一般諧振空腔的壓力在峰值較小,而且,頻率很低的情況下才是一個(gè)良好的正弦波,當(dāng)壓力峰值較大,頻率較高時(shí)波型失真;

(2)非諧振空腔測(cè)量法:其工作原理是設(shè)法調(diào)制通過(guò)容器的氣流而產(chǎn)生周期變化的壓力;

(3)喇叭式壓力發(fā)生器:動(dòng)圈式喇叭通電后產(chǎn)生振動(dòng),使空氣耦合腔內(nèi)的氣壓作正弦變化,形成波動(dòng)的聲壓信號(hào)。

上述壓力傳感器的測(cè)量方法,激波管階躍壓力發(fā)生器主要用于高頻、大量程壓力傳感器的測(cè)定,是目前應(yīng)用廣泛的壓力標(biāo)定裝置。諧振空腔和非諧振空腔式的正弦信號(hào)發(fā)生器由于在高頻、高壓的條件下,波形嚴(yán)重畸變,故一般只用于小壓力或低頻范圍的測(cè)量,但該系統(tǒng)較為復(fù)雜。喇叭式壓力發(fā)生器可產(chǎn)生波形良好的高頻壓力,但空氣中的聲壓較小,測(cè)量誤差較大。因此,現(xiàn)行的測(cè)量裝置中尚無(wú)理想的測(cè)量壓電微壓傳感器靈敏度的系統(tǒng)。

目前,壓電式微壓傳感器發(fā)展迅速,新研制出的一類傳感器由于采用壓電單晶片結(jié)構(gòu),并內(nèi)置前置放大器,放大微弱信號(hào)并實(shí)現(xiàn)阻抗變換,從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干擾性好等特點(diǎn)。這類傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動(dòng)等微小信號(hào)的檢測(cè),因此,迫切需要一種簡(jiǎn)便的測(cè)量裝置測(cè)量傳感器的性能。對(duì)此,本文借鑒水聲測(cè)量中水聽(tīng)器的校準(zhǔn)方法,提出用油腔波動(dòng)聲壓測(cè)量壓電式微壓傳感器的靈敏度及頻響。

1 測(cè)量系統(tǒng)及原理

1.1 測(cè)量系統(tǒng)

壓電式微壓傳感器靈敏度及頻響的測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器,功率放大器、測(cè)試腔和示波器組成,如圖1所示。測(cè)試腔為圓桶狀,底部裝有聲發(fā)射換能器,上蓋安裝標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器,腔內(nèi)充滿硅油。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào),通過(guò)功率放大器放大信號(hào)功率,輸入發(fā)射換能器,驅(qū)動(dòng)換能器振動(dòng)并產(chǎn)生聲波。標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器同時(shí)接收波動(dòng)信號(hào),其輸出分別通過(guò)示波器通道1和通道2示出,比較示波器兩通道輸出波形的峰值電壓,即可測(cè)量被測(cè)傳感器的靈敏度。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的頻率,可測(cè)量靈敏度隨頻率的變化情況,獲得傳感器的頻響特性。

圖1 壓電式微壓傳感器測(cè)量系統(tǒng)

1.2 原理

采用間接比較法測(cè)量傳感器的靈敏度,在聲場(chǎng)均勻的油腔內(nèi),距發(fā)射源相同距離處放置標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器,兩傳感器同時(shí)接收換能器發(fā)射的聲波信號(hào),用示波器分別測(cè)量2只傳感器的輸出峰值電壓V標(biāo)和V測(cè),得到V標(biāo)/V測(cè)=M標(biāo)/M測(cè),即

M測(cè)=M標(biāo)/V測(cè)/V標(biāo), (1)

式中M標(biāo)和M測(cè)分別為標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器的靈敏度,V/Pa;V標(biāo)和V測(cè)為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和被測(cè)傳感器的輸出電壓,V。由式(1)可計(jì)算出被測(cè)傳感器的靈敏度。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用壓電陶瓷球狀水聽(tīng)器,它是一種接收聲波信號(hào)的壓力傳感器,經(jīng)國(guó)家一級(jí)水聲計(jì)量站標(biāo)定,水聽(tīng)器的靈敏度M標(biāo)=87.1μV/Pa,靈敏度的不確定度為±5μV/Pa,諧振頻率大于60kHz。雖然水聽(tīng)器的工作頻帶較寬,但測(cè)量系統(tǒng)的工作頻率上限受油腔尺寸的限制。通常腔體的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)不大于四分之一波長(zhǎng),以保證腔內(nèi)聲場(chǎng)的均勻性,系統(tǒng)的工作頻率高,腔體的尺寸小,限制了被測(cè)傳感器的尺寸。系統(tǒng)的測(cè)量頻率理論上不存在下限,但實(shí)際中腔內(nèi)的發(fā)射器在低頻時(shí)發(fā)射功率較低,信噪比較小,限制了頻率下限。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)頻帶為20Hz～4kHz。

實(shí)驗(yàn)樣品采用北京信息工程學(xué)院研制的YLC-A型壓電式微壓傳感器,樣品數(shù)為3只。將傳感器安裝在測(cè)試腔蓋樣品架上,輸出端與腔蓋上的樣品輸出引線連接,扣緊腔蓋,按圖1所示連接系統(tǒng)。由于傳感器內(nèi)裝前置放大器,需提供直流電源工作,電源加在腔蓋上被測(cè)傳感器輸出端。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào),信號(hào)幅度不宜過(guò)大,以避免傳感器輸出失真。選取多個(gè)信號(hào)頻率,分別測(cè)量每個(gè)頻率點(diǎn)兩傳感器的輸出電壓,在1kHz處示波器上的標(biāo)準(zhǔn)傳感器波形(1)的峰-峰值電壓為145.5mV;被測(cè)傳感器波形(2)的峰峰值電壓為5.85V。將V標(biāo)和V測(cè)代入式(1)算出被測(cè)傳感器的靈敏度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制傳感器的靈敏度隨頻率變化曲線,如圖2所示,從而得到傳感器的頻率響應(yīng)范圍。

圖2 傳感器靈敏度測(cè)量曲線

為檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性,實(shí)驗(yàn)對(duì)1#傳感器進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量,圖3示出2次測(cè)量的靈敏度變化曲線。

圖3 1#傳感器兩次靈敏度測(cè)量曲線

3 結(jié)論

(1)采用均勻聲腔硅油介質(zhì)中傳播的聲波作為壓力源,用比較法比較標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器的輸出,可有效地測(cè)量壓電式微壓傳感器的靈敏度及頻率響應(yīng)特性。3只傳感器的測(cè)量靈敏度分別為3.05,2.98,2.98mV/Pa,靈敏度波動(dòng)小于0.5mV/Pa,頻率響應(yīng)范圍為20～2000Hz。

(2)從圖4可看出:油腔波動(dòng)聲壓測(cè)量系統(tǒng)同一樣品的2次測(cè)量數(shù)據(jù)(靈敏度及頻率響應(yīng)范圍)重復(fù)性較好,偏差小于0.24mV/Pa。由于測(cè)量介質(zhì)為硅油,每個(gè)樣品需置于硅油中測(cè)試,測(cè)完后需進(jìn)行清洗,使用不便。下一步應(yīng)完善測(cè)試系統(tǒng),設(shè)計(jì)防油透聲層保護(hù)被測(cè)傳感器免于接觸硅油,以簡(jiǎn)化操作。