壓電式加速度傳感器選型指南及技術特點（三）
發布日期：2022-10-09 點擊率：41
·傳感器的封裝形式
壓電式傳感器的工作原理是利用敏感芯體的壓電效應，而壓電材料產生的是高阻抗的電荷信號。傳感器敏感芯體的絕緣阻抗與傳感器的低頻測量截止頻率存在著相互對應的關系。為了保證傳感器的低頻響應，傳感器殼體封裝設計應使敏感芯體與外界隔絕，以防止壓電陶瓷受到任何污染而導致其絕緣阻抗下降。敏感芯體絕緣阻抗下降對傳感器性能造成的直接影響表現為低頻響應變差，嚴重時還將造成傳感器靈敏度改變。為保證傳感器的密封特性，大多傳感器的封裝采用激光焊接。同時在當今密封材料品種多樣，性能日益完善的情況下，針對不同的使用環境，采用合適的密封材料替代激光焊接也能達到傳感器密封的要求。但必須指出不同的密封材料效果差異很大。
在工業現場測試現場，為防止電磁場對傳感器信號的影響，對用于工業現場的在線監測傳感器往往要求傳感器采用雙重屏蔽殼封裝形式。雙層屏蔽結構的傳感器輸出接頭一般采用雙芯工業接頭或聯體電纜輸出形式。由于雙層屏蔽殼的結構特點和雙芯輸出電纜，傳感器的高頻特性一般將受到較大的制約，因此如果用戶必須選用雙層屏蔽型傳感器進行高頻振動信號測量，應謹慎考慮。
·傳感器輸出接頭形式
M5 (M6) 接頭是加速度傳感器最為常用的輸出接頭形式。M5接頭特點是尺寸較小，一般配用直徑較細的電纜 (2mm 或 3mm )，比較適合振動實驗的測試。另外M5 (M6) 的結構型式對信號屏蔽較好，所以對電荷輸出型加速度傳感器因其輸出為較容易受干擾的高阻抗信號一般均采用M5 (M6) 接頭。測量振動的加速度傳感器接頭一般避免使用Q9 (BNC), 原因是Q9 (BNC),接頭組件沒有螺紋聯接，構件之間的機械耦合剛度較低；因此如果加速度傳感器輸出采用Q9(BNC),，其將會影響傳感器的高頻響應。
用于工業環境下的振動測量加速度傳感器按可分為巡回檢測和在線監測，前者一般采用單層殼屏蔽型式，因此傳感器的接頭較多使用M6 或TNC接頭。而在線監測因經常采用雙層屏蔽的結構型式，與其對應的電纜為雙芯屏蔽電纜，所以雙芯工業接頭如M12, M16 以及C5015均被廣泛使用。另外連體電纜具有較高的可靠性，因此在工業環境下使用的傳感器無論是單層和雙層屏蔽的結構都廣泛采用連體電纜為輸出接頭的形式。
需要指出的是無論是那一種輸出接頭對水下測量都有其局限性，即使傳感器本身密封性能達到要求，但電纜聯接一般都需要做特殊處理后才能用于水下測量。
·電纜的選擇
對輸出為高阻抗信號的電荷型壓電型傳感器而言，為保證測量信號不受因電纜移動而造成噪聲的影響，傳感器的輸出信號電纜一般都采用低噪聲電纜。而輸出為低阻抗電壓信號的IEPE 傳感器，低噪聲電纜并不一定是必需的。高頻，低頻信號對電纜不同要求的典型的例子是多軸向測量傳感器的電纜，多通道高阻抗信號的電纜必須是各自獨立的低噪聲屏蔽電纜，而多通道低阻抗的電壓信號便可采用多芯絞線加屏蔽的電纜。
在通用型傳感器的電纜配備中因考慮到電纜的重量和成本，Φ2 mm 直徑的低噪聲電纜為加速度傳感器的標準配置。工業現場用的傳感器一般以IEPE 型為主，電纜本身的強度也成為重要考慮因素，因此Φ3 mm 直徑的低噪聲電纜和Φ4.5 mm 直徑的普通同軸屏蔽電纜成為最常使用的電纜。而對雙層屏蔽殼設計的IEPE 型傳感器的電纜配置均為雙絞芯線外加屏蔽的電纜。
在加速度傳感器輸出信號電纜的選擇中，除電纜結構外，其他最經常考慮的指標是電纜的應用溫度以及在工業現場測試中電纜外層材料耐腐蝕的能力。最為普遍使用的電纜絕緣材料為PVC, 使用溫度范圍為-40oC 到+105oC 。對應用環境較惡劣的場合，最經常選用的電纜絕緣材料為聚四氟乙烯；其使用溫度范圍為-45oC 到+250oC，且耐腐蝕能力也優于其它大多數電纜絕緣材料。但用四氟材料做的電纜柔性較差，價格也遠高于PVC 材料。
·傳感器橫向靈敏度及橫向振動對測量的影響
由于壓電材料自身特性，敏感芯體的結構設計和制造精度偏差使傳感器不可避免地對橫向振動產生輸出信號，其大小由橫向輸出和垂直方向 輸出的比值百分數來表示。
根據不同敏感芯體結構和材料特性的組合，壓縮型結構在理論上便存在橫向輸出，需要通過裝配調節的方式給予抵消，而在實際制造過程中很難實現真正的抵消，因此壓縮型加速度傳感器的橫向靈敏度的離散度很大。與壓縮型相比剪切型設計在理論上不存在橫向輸出，傳感器的實際橫向輸出一般是由材料加工和裝配精度所引起的誤差。所以從這兩種敏感芯體的實際對比結果來看，剪切型壓電加速度傳感器的橫向靈敏度普遍優于壓縮型式。而敏感芯體為彎曲梁結構形式的橫向靈敏度一般說介于剪切型和壓縮型之間。根據敏感芯體的結構特性，在其受橫向振動時與垂直方向振動一樣，也有相應的結構頻率響應。所以橫向振動也同樣可能在某一頻率點產生諧振，以至產生較大的橫向振動偏差。
