一種壓縮式壓電沖擊振動傳感器設(shè)計

陳玉偉 黃寶民 張潤發(fā)

（青島航天半導(dǎo)體研究所有限公司 青島 266071）

引言

對于軸承故障診斷的方法，國內(nèi)外主要是用壓電式傳感器通過測量振動及用溫度傳感器測量溫度來分析實現(xiàn)的[1]。國內(nèi)同類型軸承故障診斷系統(tǒng)中所用的傳感器，其內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)存有一定的隱患，轉(zhuǎn)換放大電路所用元件多，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，裝配操作過程中對熟練程度相對要求較高，放大器輸出信號的調(diào)試采用調(diào)試電位器的方法，會帶來精度低、穩(wěn)定性差的問題。在鐵路機車軸承故障診斷系統(tǒng)中使用傳感器時，由于環(huán)境惡劣，處于全天候整日的使用狀態(tài)，對傳感器的使用壽命是極大的考驗，現(xiàn)實的狀況是出現(xiàn)大量的傳感器故障（損壞）[2]，而傳感器又不能在線更換，由此帶來的問題是既影響故障診斷系統(tǒng)的正常運行，又帶來較大的經(jīng)濟損失。

為了減少或避免傳感器的故障，提高傳感器的可靠性，其技術(shù)發(fā)展趨勢就是采用盡可能一體化的結(jié)構(gòu)，盡量減少電路元件及部件的使用，采用簡單的放大轉(zhuǎn)換電路，可減少傳感器出現(xiàn)故障的因素，使傳感器可以長期、穩(wěn)定的可靠工作，從而可保障整個故障診斷系統(tǒng)的正常運行。

1 傳感器測量原理[3]

壓縮式壓電沖擊振動傳感器作為一種電荷輸出型的慣性力傳感器，它是利用壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著垂直方向?qū)ζ涫┝κ怪冃螘r，壓電陶瓷片內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其兩個表面上會產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤掉后又重新回到不帶電的狀態(tài)，當(dāng)作用力的方向改變時電荷的極性也隨之改變。在傳感器和被測物一起受到一個正玄波的沖擊振動時，敏感元件組件結(jié)構(gòu)中的質(zhì)量塊加在壓電陶瓷片上的力也隨之變化。當(dāng)壓電陶瓷片受質(zhì)量塊慣性力的作用時，根據(jù)牛頓第二定律，慣性力是加速度的函數(shù)，則有

式中：

F—質(zhì)量塊作用于壓電陶瓷片的力；

M—質(zhì)量塊的質(zhì)量；

m1—壓緊螺母的質(zhì)量；

m2—壓電陶瓷片的質(zhì)量；

a—振動物體的加速度。

當(dāng)被測物體的振動頻率遠低于傳感器的諧振頻率時，則力的變化與被測加速度成正比，通過測量與施加力大小相關(guān)的傳感器輸出信號，比對標(biāo)準(zhǔn)振動傳感器的輸出值就可得到物體振動時的加速度瞬時值。

壓縮式壓電沖擊振動傳感器由其轉(zhuǎn)換原理所限，其輸出信號是微弱的電荷，本身內(nèi)阻很大，輸出信號負載能力很小，給接續(xù)的放大電路設(shè)計帶來不便[4]。通常要將該信號輸入到高輸入阻抗的放大器進行放大和阻抗變換[5]，才能將放大后的輸出信號給后續(xù)指示儀表或控制系統(tǒng)，進而得到被測物體的加速度。

待測物體振動時，傳感器底座與待測物以同一加速度運動，壓電陶瓷片受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力作用，在其兩個表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)待測物體的振動頻率遠低于傳感器的諧振頻率時，傳感器的輸出電荷量(電壓)與作用力成正比。由于傳感器的輸出信號是微弱的電荷，而其本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器的電荷信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鹘?jīng)過阻抗變換后才可給指示儀表，進而得到被測物體的加速度。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓電沖擊振動傳感器的敏感元件組件結(jié)構(gòu)主要是中心壓縮式的，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有敏感元件組件、殼體及引出線裝置。敏感元件組件是在一個有安裝螺紋的不銹鋼基座上加工出一個螺桿，將絕緣片、電極片、壓電陶瓷片及質(zhì)量塊用壓緊螺母擰緊在基座的螺桿上，引出線裝置能保證傳感器輸出信號線與殼體之間的密封。傳感器的尺寸越大，其諧振頻率就會越低，設(shè)計傳感器外殼時必須要權(quán)衡結(jié)構(gòu)尺寸、外殼質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊關(guān)系。

傳感器基座設(shè)計有標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭，小尺寸或小質(zhì)量的基座會降低傳感器的諧振頻率，但也要滿足安裝強度的要求；選用薄的壓電陶瓷片能減小質(zhì)量、提高剛度，進而使諧振頻率提高；質(zhì)量塊的截面應(yīng)比壓電陶瓷片要稍大一點，應(yīng)該考慮到壓緊螺母和壓電陶瓷片的質(zhì)量也是慣性質(zhì)量的一部分。

傳感器的外殼材料全部采用不銹鋼，外殼分為傳感器底座（底座頂部安裝敏感元件組件）、殼體及引出裝置三部分，外殼的三個部分用螺紋連接在一起后，再用激光焊接使傳感器形成全焊接的密封結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

3 傳感器放大電路設(shè)計

壓電沖擊振動傳感器受力后產(chǎn)生高輸出阻抗的電荷，在低頻、小振幅振動時的加速度數(shù)值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，且信噪比很低。由于傳輸導(dǎo)線、放大電路和壓電陶瓷片均可能產(chǎn)生電荷泄漏，為保證測量準(zhǔn)確度，需要把電荷泄漏減少到所要求的限度以內(nèi)，須用高輸入阻抗的放大器作為傳感器的信號放大電路。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)組成

壓電沖擊振動傳感器的放大電路與傳感器一般不是一體化結(jié)構(gòu)，傳感器與放大電路之間要用一定長度的導(dǎo)線連接在一起，所需要的放大電路一般是電荷放大器。而電荷放大電路較為復(fù)雜，所需電路元件多，電路板的面積大，若做成一體化傳感器時體積會較大，傳感器的諧振頻率很難做高。若要求傳感器既要有較高的諧振頻率，又要縮小傳感器的體積及質(zhì)量，就必須減少電路中的元件數(shù)量，減小元件的封裝尺寸。基于此，放大器選擇了高輸入阻抗的儀表放大器U1（AD8220），U2作為單電源放大器放大交流信號的參考電壓，在放大器的周圍僅需少量元件就可組成高性能的信號放大電路。設(shè)計傳感器的放大電路如圖2所示。

4 傳感器性能的影響因素

1）敏感元件組件是由質(zhì)量塊、絕緣片、電極片及壓電陶瓷片固定在與底座加工成一體的螺桿上用壓緊螺母擰緊構(gòu)成的，傳感器全天候和經(jīng)久不停息的運行，必將產(chǎn)生壓電陶瓷片與質(zhì)量塊的微小松動，由此會使傳感器的輸出信號產(chǎn)生誤差或故障。若將壓緊螺母與螺桿連接處用激光焊接在一起形成一體結(jié)構(gòu)，從而可保證傳感器在長期振動的環(huán)境中可靠工作。

2）傳感器的環(huán)境溫度劇烈變化時，熱脹冷縮造成的機械形變會使質(zhì)量塊與壓電陶瓷片間產(chǎn)生細微的距離變化，質(zhì)量塊對壓電陶瓷的預(yù)壓力也將會發(fā)生變化，從而引起壓電陶瓷片壓電系數(shù)較大的永久性漂移。通過試驗發(fā)現(xiàn)，如果預(yù)先將敏感元件組件先行上限（使用）溫度的老化，這種漂移將大大減小。

圖2 傳感器放大電路

3）傳感器放大電路中的器件參數(shù)是影響傳感器頻響特性的，通過調(diào)整放大電路中輸入電阻R1、R2及輸入電容C1、C2的數(shù)值可改善傳感器的輸出頻響，在傳感器的標(biāo)定振動臺上可測試傳感器的頻率響應(yīng)特性。

4）若傳感器的信號地與其外殼直接相連后再接大地，其輸出信號是不會受到干擾的，但這只能在實驗室內(nèi)使用，當(dāng)將傳感器置于測量現(xiàn)場，特別是用于惡劣現(xiàn)場的鐵路機車上時，可能會使放大電路不能正常工作乃至被損壞。因此，要讓信號地與外殼間有交流通路又不能直接相連。經(jīng)過試驗，在傳感器信號地與傳感器外殼（PE，接大地）間用一個小容量的電容C5相連，便克服了傳感器信號失真及抗干擾的問題，也間接解決了傳感器的電磁兼容問題。

5 結(jié)束語

壓縮式壓電沖擊振動傳感器通過將敏感元件組件局部焊接并與放大轉(zhuǎn)換電路裝配形成一體化結(jié)構(gòu)，減小了傳感器的體積和質(zhì)量，能實現(xiàn)較高的諧振頻率，改善了以往傳感器抗惡劣環(huán)境差、穩(wěn)定性和可靠性不高的缺點，放大電路中所用元件少、電路簡單、易于操作裝配，進行工藝研究后可批量生產(chǎn)，有望批量用于鐵路機車軸承的故障診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)較大的經(jīng)濟效益和社會效益。