溫度對(duì)加速度靈敏度的影響

在振動(dòng)、溫度、濕度的試驗(yàn)中，振動(dòng)臺(tái)正常運(yùn)行中，突然功放報(bào)警，顯示【過(guò)電流】或【過(guò)負(fù)載】等各種報(bào)警，尤其是在溫度變化過(guò)程中，導(dǎo)致試驗(yàn)不能順利進(jìn)行，如下圖。在處理解決報(bào)警時(shí)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)候是因?yàn)楦叩蜏貙?dǎo)致加速度傳感器的固定膠處松動(dòng)，有時(shí)候是因?yàn)榧诱窳τ?jì)算不夠?qū)е录诱窳^(guò)載，有時(shí)候根本找不到原因，重新開機(jī)又能正常繼續(xù)運(yùn)行，過(guò)段時(shí)間又再現(xiàn)報(bào)警。真的是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)心。

其實(shí)，這個(gè)問(wèn)題主要是溫度和濕度對(duì)壓電加速度傳感器及其靈敏度的影響造成的?，F(xiàn)在的傳感器一般密封性還是比較優(yōu)良的，相對(duì)來(lái)說(shuō)濕度的影響較小。也可以通過(guò)下圖所示處理（傳感器外圍包裹一層柔軟的膠皮層）來(lái)減少濕度對(duì)傳感器內(nèi)部機(jī)構(gòu)和接頭處同軸電纜的影響。

接下來(lái)主要討論溫度對(duì)壓電加速度傳感器的影響。加速度傳感器主要是測(cè)定物體加速度（速度變化率）的傳感器，主要有以下4種，

1 壓電型加速度傳感器

2 伺服型加速度傳感器

3 應(yīng)變片式加速度傳感器

4 半導(dǎo)體式加速度傳感器

其中，壓電型傳感器（以下統(tǒng)稱加速度傳感器）以其小型化、頻率范圍廣、高靈敏度、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，使用最廣泛。又分為電荷型和功放內(nèi)藏型（ICP），是主要利用壓電效應(yīng)的原理，自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。壓電材料表面受力產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就能產(chǎn)生正比于所受外力的電量輸出，如下圖所示。

影響靈敏度的關(guān)鍵部位是壓敏材料，主要壓電材料有水晶（SiO2）、壓電陶瓷、硫化鋅等晶體。對(duì)于這些材料，會(huì)受周邊環(huán)境溫度的影響，即所謂的分極作用（極化作用）。周邊環(huán)境溫度高，分極作用強(qiáng)，輸出的電荷量多，靈敏度變大;周邊環(huán)境溫度低，分極作用弱，輸出的電荷量少，靈敏度變小。從而導(dǎo)致試驗(yàn)中加速度的響應(yīng)值有變化，影響試驗(yàn)的精度。

尤其在控制點(diǎn)上的傳感器，會(huì)影響功放對(duì)動(dòng)圈的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，從而導(dǎo)致過(guò)電流或過(guò)電壓報(bào)警。下圖為國(guó)際某著名廠家的某型號(hào)加速度傳感器的溫度特性曲線，供參考。圖中可以看出，200℃時(shí)，和常溫相比，靈敏度大概有+10%的偏差;-50℃時(shí)，與常溫相比，靈敏度約有-5%的偏差。

另外，制作工藝的不同，其溫度特性也會(huì)各異，參照下圖，從上到下分別是中心壓縮式、反向中心壓縮式、環(huán)狀剪切式、三角剪切式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖供參考?？梢钥闯?，三角剪切式的溫度特性最優(yōu)，靈敏度偏差受溫度的影響最小。

通過(guò)加速度傳感器的溫度特性分析，高溫時(shí)電荷的輸出量大，靈敏度變大，實(shí)際控制點(diǎn)測(cè)得的加速度大。低溫時(shí)電荷的輸出量小，靈敏度變小，實(shí)際控制點(diǎn)測(cè)得的加速度小。這就是通常所說(shuō)的【高溫欠試驗(yàn)、低溫過(guò)試驗(yàn)】。

此外，還需要考慮環(huán)境溫度突變時(shí)，由于壓敏材料的熱電效應(yīng)，振動(dòng)測(cè)定時(shí)，壓敏材料會(huì)輸出一個(gè)低頻率的雜波信號(hào)，也會(huì)對(duì)靈敏度有影響。研究表明，剪切型傳感器產(chǎn)生的雜波比壓縮型傳感器產(chǎn)生的雜波大約小100倍，基本上無(wú)影響。還有熱脹冷縮的原因，傳感器內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的熱膨脹率是不同的，膨脹收縮不是均一的。此時(shí)，壓敏材料會(huì)受到熱應(yīng)力影響，向外輸出電荷。也就是說(shuō)溫度突變，會(huì)導(dǎo)致靈敏度不穩(wěn)定，引用某經(jīng)典教材上兩張圖供參考。第一張圖中可以看出，加速度靈敏度短時(shí)間內(nèi)激增，然后穩(wěn)定，大概6-7秒。第二張圖看出，三角剪切型的傳感器靈敏度受溫度突變的影響比較小。

總結(jié)：

綜上所述，在綜合振動(dòng)試驗(yàn)中，為了解決溫度對(duì)加速傳感器靈敏度的影響，尤其是控制點(diǎn)傳感器靈敏度的變化影響，需要采取各種措施進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

1 選擇正確的加速度傳感器，個(gè)人比較偏好三角剪切型加速度傳感器，其受溫度因素的影響最小。

2 可以的話，根據(jù)試驗(yàn)條件，在電荷放大器中使用低頻過(guò)濾功能。

3 加速度傳感器固定后，盡可能使用螺釘固定的方法。不能實(shí)現(xiàn)的條件下，采用固定性能優(yōu)質(zhì)（耐高溫、耐振動(dòng)尤佳）的膠水，外加隔熱措施，如下圖。

4 對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)室使用的加速度傳感器受溫度影響的特性進(jìn)行了解把握，針對(duì)不同試驗(yàn)選擇最優(yōu)的加速度傳感器?？赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)得到各個(gè)傳感器的溫度特性圖，恒溫槽溫度RT→-40℃→80℃（或120℃，根據(jù)常用試驗(yàn)條件決定）→20℃運(yùn)行，固定各種加速度傳感器，振動(dòng)控制儀160Hz，50m/s2定頻定加速度輸出給振動(dòng)臺(tái)加振，得到各個(gè)加速度傳感器的加速度值，數(shù)值保存。下面是作者工作過(guò)某試驗(yàn)室一些加速度傳感器溫度特性曲線圖，供參考。

上圖中，淺藍(lán)色線對(duì)應(yīng)的傳感器溫度特性最優(yōu)，-40℃時(shí)，與基準(zhǔn)50m/s2的差值約為-3m/s2，80℃時(shí)，差值約為2m/s2。其他加速度傳感器，-40℃的時(shí)候，最大偏差有-8m/s2，約16%；80℃的時(shí)候，最大偏差有6m/s2，約12%。可以推測(cè)當(dāng)大加速度量級(jí)或試驗(yàn)溫度超過(guò)80℃時(shí)，溫度的影響還是比較大的，偏差相對(duì)來(lái)說(shuō)肯定更大。

想要徹底解決溫度對(duì)加速度靈敏度的影響，基本上不可能。只能利用各種有效的措施減少其影響。通過(guò)本文分析和介紹，能對(duì)大家在此問(wèn)題上提供一些思路和解決辦法，希望有所幫助，共同進(jìn)步。
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