压电式加速度传感器故障查找

　　振动传感器是振动测试系统中的关键部件。传感器的种类很多，有压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、变电容式加速度传感器、伺服式加速度传感器等。尽管压电式加速度传感器结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，在市场上销售的同类传感器的性能参数、稳定性和一致性差别非常大，而使用者往往对这些差别不尽了解，容易造成错误使用而导致传感器出现故障，延误试验。因此，研究压电式加速度传感器故障判断流程、分析故障的产生原因以及寻求故障解决方案是非常必要的。

　　1　压电式加速度传感器

　　工程中，表征振动的物理参数常是位移、速度和加速度。由于在通常的频率范围内振动位移幅值很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中，振动一般用加速度来度量。压电式加速度传感器又称压电加速度计，它是利用某些物质如石英晶体的压电效应设计的，属于惯性式传感器。在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

　　压电式加速度传感器的结构框图如图1所示。在压电转换元件上，以一定的预紧力安装一块惯性质量块，惯性质量块上安装一预紧螺母，即可组成一个简单的压电式加速度传感器。

　　压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、坚固耐用、受外界干扰小、安装使用方便以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是目前市场上应用最广泛的振动测量传感器。

　　常用的压电式加速度传感器的结构形式如图2所示。

　　图2(a)是中心安装压缩型压电式加速度传感器，这种传感器的压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，其结构的特点是共振频率高。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图2(b)为环形剪切型压电式加速度传感器，这种传感器的结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，其中环形质量块粘在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。图2(c)为三角剪切型压电式加速度传感器，其压电元件由夹持环将其固定在三角形中心柱上。当它感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。

　　2　常见故障的判断流程

　　压电式加速度传感器由于其材料温度特性、加工工艺的不一致性，往往会出现各种故障。如何正确判断传感器的故障原因，是快速解决故障的关键，而合理的故障判断流程是解决这一问题的有效手段。将根据是否有信号输出这一思路，对这些故障进行详细分析，得出一种故障判断流程，见图3。

　　3　故障原因分析及解决方法

　　根据判断流程，将压电式加速度传感器分为四类故障：1)无信号输出；2）由灵敏度引起的信号输出不正常；3）信号幅值在整个频率范围内失真引起的信号输出不正常；4）信号在不同的频域段存在问题。

　　3·1第一类故障：无信号输出

　　如果没有信号输出，首先需要检查电缆，电缆不正常就需要更换电缆；电缆正常就需要根据偏置电压的表现情况判断。使用过程中，偏置电压一般会出现以下三种情况：

　　1)偏置电压不正确

　　偏置电压等于供电电压或者等于零，这可能是由于电缆连接或传感器内部连线断开造成，如果出现这种情况需要更换电缆或传感器。偏置电压偏大或偏小，实际偏置电压超出正常偏置电压±2V的范围时，传感器可能会出现内置电路工作不正常，解决的办法只能更换传感器。

　　环境温度变化，也会造成偏置电压漂移，此时可用加装隔热护套解决这一问题。

　　2)偏置电压不稳定

　　当偏置电压不能稳定时，原因很可能是传感器内部电路不稳定，此时只能更换传感器。

　　3)偏置电压正确但没有信号输出

　　一般是传感器内部敏感芯体损坏，此时需要更换传感器。

　　3·2第二类故障：由灵敏度引起的信号输出不正常

　　做试验时，传感器常常会出现灵敏度低或灵敏度偏差大的情况，若遇到这种情况，可以通过下列方法解决。

　　1)灵敏度低

　　可能是传感器敏感芯体的绝缘阻抗下降或者传感器敏感芯体的压电系数衰减造成的，解决方法是将传感器在其使用温度范围内烘焙，使灵敏度回升或者重新对传感器进行标定。

　　2)灵敏度偏差大

　　在非室温的环境下，由于压电材料温度响应系数过大而造成的灵敏度偏差大，若出现这一故障只需选用温度响应系数偏差小的传感器。

　　3·3第三类故障：信号幅值在整个频率范围内失真引起的信号输出不正常

　　大测量信号失真和小测量信号失真都属于此类故障。在分析此类故障时要按这两种情况考虑。

　　1)大测量信号失真

　　当信号输出变小或者偏置电压不稳定时，可能产生大测量信号失真。

　　①信号输出变小。信号输出变小可能由以下四种原因造成：a．由于供电电压降低而造成测量量程范围减小；b．因环境温度与室温不同而导致的偏置电压超出规定的范围；c．由传感器的非线性造成；d．在长距离信号输送时，恒流电压源的恒电流不够大。

　　解决上述原因的方法分别为：a．更换电池或更正供电电压；b．采用偏置电压稳定的传感器；c．采用量程大的传感器；d．根据信号频率幅值选择正确的电压源恒电流。　　②偏置电压不稳定。偏置电压不稳定可能是由于输出信号与高频谐次波叠加，如果出现这种情况则需要选择谐振频率较高的传感器。

　　2)小测量信号失真

　　由于信号忽大忽小不稳定、外界环境噪声对测量信号的影响、测量系统噪声对测量信号的影响会产生小测量信号失真。

　　①信号不稳定。由瞬态温度变化以至偏置电压忽大忽小而造成输出信号不稳定时，则应采用偏置电压稳定的传感器。

　　②外界环境噪声对测量信号的影响。在传感器测量信号时，外界环境噪声也可能对其有影响，具体的故障原因及解决方式如下：a．接地回路造成的噪声，此时需要避免多点接地，传感器采用对地绝缘；b．传感器在测量信号时若发现受电磁波的的影响，需要采用双层屏蔽壳的传感器；c．如果有强声场的影响，则需要采用双层屏蔽壳的传感器。双层屏蔽壳的传感器有助于降低强声场对加速度传感器的影响。

　　③测量系统噪声对测量信号的影响。在传感器测量信号时，测量系统噪声也可能对其有影响，具体的故障原因及解决方式如下：a．传感器自身的电噪声，此时需要检定传感器噪声，选择信噪比合适的传感器。b．与电荷输出型传感器配用的低噪声电缆会产生电噪声，此时需要换用好的低噪声屏蔽电缆。c．传感器供电电源噪声，此时需要选用低噪声供电电源或采用电池供电。d．数据采集系统的量程设置不当对测量信号产生影响，此时只有选择合适量程的传感器。

　　3·4第四类故障：信号在不同的频域段存在问题

　　传感器在使用过程中，输出信号在高频测量和低频测量中都可能会出现故障。

　　1)低频测量信号失真

　　系统低频响应差、低频信噪比差和外界环境影响都可能引起测量信号失真。

　　①系统低频响应差。如果传感器低频响应的截至频率不够低，则需要通过测量时间常数来判断传感器的低频响应，选用低频好的传感器。如果与传感器配套使用的恒流电压源或电荷放大器的截至频率不够低，则需要正确选用恒流电压源和电荷放大器的低频截至频率。

　　②系统低频信噪比差。如果传感器的低频噪声大，低频时传感器的信噪比会显著下降，则需要选用满足低频信噪比指标的传感器。

　　③外界对测量信号的影响。瞬态环境温度也会对测量信号产生影响，此时需要对传感器采用隔热护套，或选用温度响应系数小的传感器。

　　2)高频测量信号失真高频测量信号失真具体表现为高频信号增大、高频信号减小两种情况。

　　①高频信号增大。由传感器安装方式引起的高频信号失真(增大)，需要调整安装方式，增加安装接触刚度，提高传感器的高频测量范围。传感器内部敏感芯体谐振频率低引起的高频信号增大，需要选用谐振频率高，高频响应好的传感器。而传感器安装绝缘底座连接刚度差引起的高频信号增大，则需要重新选择高刚度绝缘安装底座。

　　②高频信号减小。在长距离信号输送时，恒流电压源的恒电流不够大，则可能发生高频信号减少，如果发生此种情况需根据信号频率幅值选择正确的电压源恒电流。

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