溫度對加速度靈敏度的影響

在振動、溫度、濕度的試驗中，振動臺正常運行中，突然功放報警，顯示【過電流】或【過負載】等各種報警，尤其是在溫度變化過程中，導致試驗不能順利進行，如下圖。在處理解決報警時發(fā)現(xiàn)，有時候是因為高低溫導致加速度傳感器的固定膠處松動，有時候是因為加振力計算不夠?qū)е录诱窳^載，有時候根本找不到原因，重新開機又能正常繼續(xù)運行，過段時間又再現(xiàn)報警。真的是費時、費力、費心。

其實，這個問題主要是溫度和濕度對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，相對來說濕度的影響較小。也可以通過下圖所示處理（傳感器外圍包裹一層柔軟的膠皮層）來減少濕度對傳感器內(nèi)部機構(gòu)和接頭處同軸電纜的影響。

接下來主要討論溫度對壓電加速度傳感器的影響。加速度傳感器主要是測定物體加速度（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 應變片式加速度傳感器

4 半導體式加速度傳感器

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)簡單、重量輕、工作可靠等優(yōu)點，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的原理，自發(fā)電式和機電轉(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。對于這些材料，會受周邊環(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，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。從而導致試驗中加速度的響應值有變化，影響試驗的精度。

尤其在控制點上的傳感器，會影響功放對動圈的驅(qū)動電流和電壓，從而導致過電流或過電壓報警。下圖為國際某著名廠家的某型號加速度傳感器的溫度特性曲線，供參考。圖中可以看出，200℃時，和常溫相比，靈敏度大概有+10%的偏差;-50℃時，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。可以看出，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。

通過加速度傳感器的溫度特性分析，高溫時電荷的輸出量大，靈敏度變大，實際控制點測得的加速度大。低溫時電荷的輸出量小，靈敏度變小，實際控制點測得的加速度小。這就是通常所說的【高溫欠試驗、低溫過試驗】。

此外，還需要考慮環(huán)境溫度突變時，由于壓敏材料的熱電效應，振動測定時，壓敏材料會輸出一個低頻率的雜波信號，也會對靈敏度有影響。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，壓敏材料會受到熱應力影響，向外輸出電荷。也就是說溫度突變，會導致靈敏度不穩(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，在綜合振動試驗中，為了解決溫度對加速傳感器靈敏度的影響，尤其是控制點傳感器靈敏度的變化影響，需要采取各種措施進行對應。

1 選擇正確的加速度傳感器，個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)試驗條件，在電荷放大器中使用低頻過濾功能。

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

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

上圖中，淺藍色線對應的傳感器溫度特性最優(yōu)，-40℃時，與基準50m/s2的差值約為-3m/s2，80℃時，差值約為2m/s2。其他加速度傳感器，-40℃的時候，最大偏差有-8m/s2，約16%；80℃的時候，最大偏差有6m/s2，約12%?？梢酝茰y當大加速度量級或試驗溫度超過80℃時，溫度的影響還是比較大的，偏差相對來說肯定更大。

想要徹底解決溫度對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。通過本文分析和介紹，能對大家在此問題上提供一些思路和解決辦法，希望有所幫助，共同進步。
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