压电式微压传感器灵敏度的测量方案

所周知,压电式压力传感器的性能主要用瞬变压力信号发生器和正弦信号发生器测量。瞬变压力信号发生器是指产生阶跃波或其他非周期信号的压力发生器,目前,主要用激波管阶跃压力发生器,它利用激波在流体中传播或者在一个刚性表面上反射产生阶跃压力,以激发传感器的自振,它尤其适用于测量高频响应的压力传感器。正弦信号发生器是一种产生正弦压力信号的装置,分为以下几类:

(1)谐振空腔测量法:这种方法通常采用活塞、汽笛等激发密闭空腔的空气振动,产生周期变化的压力。一般谐振空腔的压力在峰值较小,而且,频率很低的情况下才是一个良好的正弦波,当压力峰值较大,频率较高时波型失真;

(2)非谐振空腔测量法:其工作原理是设法调制通过容器的气流而产生周期变化的压力;

(3)喇叭式压力发生器:动圈式喇叭通电后产生振动,使空气耦合腔内的气压作正弦变化,形成波动的声压信号。

上述压力传感器的测量方法,激波管阶跃压力发生器主要用于高频、大量程压力传感器的测定,是目前应用广泛的压力标定装置。谐振空腔和非谐振空腔式的正弦信号发生器由于在高频、高压的条件下,波形严重畸变,故一般只用于小压力或低频范围的测量,但该系统较为复杂。喇叭式压力发生器可产生波形良好的高频压力,但空气中的声压较小,测量误差较大。因此,现行的测量装置中尚无理想的测量压电微压传感器灵敏度的系统。

目前,压电式微压传感器发展迅速,新研制出的一类传感器由于采用压电单晶片结构,并内置前置放大器,放大微弱信号并实现阻抗变换,从而使传感器具有量程小、灵敏度高、抗干扰性好等特点。这类传感器已广泛用于脉搏、管壁压力波动等微小信号的检测,因此,迫切需要一种简便的测量装置测量传感器的性能。对此,本文借鉴水声测量中水听器的校准方法,提出用油腔波动声压测量压电式微压传感器的灵敏度及频响。

1 测量系统及原理

1.1 测量系统

压电式微压传感器灵敏度及频响的测量系统由信号发生器,功率放大器、测试腔和示波器组成,如图1所示。测试腔为圆桶状,底部装有声发射换能器,上盖安装标准传感器和被测传感器,腔内充满硅油。信号发生器产生正弦信号,通过功率放大器放大信号功率,输入发射换能器,驱动换能器振动并产生声波。标准传感器和被测传感器同时接收波动信号,其输出分别通过示波器通道1和通道2示出,比较示波器两通道输出波形的峰值电压,即可测量被测传感器的灵敏度。调整信号发生器的频率,可测量灵敏度随频率的变化情况,获得传感器的频响特性。

图1 压电式微压传感器测量系统

1.2 原理

采用间接比较法测量传感器的灵敏度,在声场均匀的油腔内,距发射源相同距离处放置标准传感器和被测传感器,两传感器同时接收换能器发射的声波信号,用示波器分别测量2只传感器的输出峰值电压V标和V测,得到V标/V测=M标/M测,即

M测=M标/V测/V标, (1)

式中M标和M测分别为标准传感器和被测传感器的灵敏度,V/Pa;V标和V测为标准水听器和被测传感器的输出电压,V。由式(1)可计算出被测传感器的灵敏度。

2 实验

实验用标准传感器采用压电陶瓷球状水听器,它是一种接收声波信号的压力传感器,经国家一级水声计量站标定,水听器的灵敏度M标=87.1μV/Pa,灵敏度的不确定度为±5μV/Pa,谐振频率大于60kHz。虽然水听器的工作频带较宽,但测量系统的工作频率上限受油腔尺寸的限制。通常腔体的设计尺寸应不大于四分之一波长,以保证腔内声场的均匀性,系统的工作频率高,腔体的尺寸小,限制了被测传感器的尺寸。系统的测量频率理论上不存在下限,但实际中腔内的发射器在低频时发射功率较低,信噪比较小,限制了频率下限。本实验系统的设计频带为20Hz～4kHz。

实验样品采用北京信息工程学院研制的YLC-A型压电式微压传感器,样品数为3只。将传感器安装在测试腔盖样品架上,输出端与腔盖上的样品输出引线连接,扣紧腔盖,按图1所示连接系统。由于传感器内装前置放大器,需提供直流电源工作,电源加在腔盖上被测传感器输出端。调节信号发生器产生正弦信号,信号幅度不宜过大,以避免传感器输出失真。选取多个信号频率,分别测量每个频率点两传感器的输出电压,在1kHz处示波器上的标准传感器波形(1)的峰-峰值电压为145.5mV;被测传感器波形(2)的峰峰值电压为5.85V。将V标和V测代入式(1)算出被测传感器的灵敏度。根据计算结果绘制传感器的灵敏度随频率变化曲线,如图2所示,从而得到传感器的频率响应范围。

图2 传感器灵敏度测量曲线

为检测测量系统的重复性,实验对1#传感器进行了重复测量,图3示出2次测量的灵敏度变化曲线。

图3 1#传感器两次灵敏度测量曲线

3 结论

(1)采用均匀声腔硅油介质中传播的声波作为压力源,用比较法比较标准传感器和被测传感器的输出,可有效地测量压电式微压传感器的灵敏度及频率响应特性。3只传感器的测量灵敏度分别为3.05,2.98,2.98mV/Pa,灵敏度波动小于0.5mV/Pa,频率响应范围为20～2000Hz。

(2)从图4可看出:油腔波动声压测量系统同一样品的2次测量数据(灵敏度及频率响应范围)重复性较好,偏差小于0.24mV/Pa。由于测量介质为硅油,每个样品需置于硅油中测试,测完后需进行清洗,使用不便。下一步应完善测试系统,设计防油透声层保护被测传感器免于接触硅油,以简化操作。