壓電式微壓傳感器靈敏度的測量方案
2011-04-20
所周知,壓電式壓力傳感器的性能主要用瞬變壓力信號發(fā)生器和正弦信號發(fā)生器測量。瞬變壓力信號發(fā)生器是指產生階躍波或其他非周期信號的壓力發(fā)生器,目前,主要用激波管階躍壓力發(fā)生器,它利用激波在流體中傳播或者在一個剛性表面上反射產生階躍壓力,以激發(fā)傳感器的自振,它尤其適用于測量高頻響應的壓力傳感器。正弦信號發(fā)生器是一種產生正弦壓力信號的裝置,分為以下幾類:
(1)諧振空腔測量法:這種方法通常采用活塞、汽笛等激發(fā)密閉空腔的空氣振動,產生周期變化的壓力。一般諧振空腔的壓力在峰值較小,而且,頻率很低的情況下才是一個良好的正弦波,當壓力峰值較大,頻率較高時波型失真;
(2)非諧振空腔測量法:其工作原理是設法調制通過容器的氣流而產生周期變化的壓力;
(3)喇叭式壓力發(fā)生器:動圈式喇叭通電后產生振動,使空氣耦合腔內的氣壓作正弦變化,形成波動的聲壓信號。
上述壓力傳感器的測量方法,激波管階躍壓力發(fā)生器主要用于高頻、大量程壓力傳感器的測定,是目前應用廣泛的壓力標定裝置。諧振空腔和非諧振空腔式的正弦信號發(fā)生器由于在高頻、高壓的條件下,波形嚴重畸變,故一般只用于小壓力或低頻范圍的測量,但該系統(tǒng)較為復雜。喇叭式壓力發(fā)生器可產生波形良好的高頻壓力,但空氣中的聲壓較小,測量誤差較大。因此,現行的測量裝置中尚無理想的測量壓電微壓傳感器靈敏度的系統(tǒng)。
目前,壓電式微壓傳感器發(fā)展迅速,新研制出的一類傳感器由于采用壓電單晶片結構,并內置前置放大器,放大微弱信號并實現阻抗變換,從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干擾性好等特點。這類傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動等微小信號的檢測,因此,迫切需要一種簡便的測量裝置測量傳感器的性能。對此,本文借鑒水聲測量中水聽器的校準方法,提出用油腔波動聲壓測量壓電式微壓傳感器的靈敏度及頻響。
1測量系統(tǒng)及原理
1.1測量系統(tǒng)
壓電式微壓傳感器靈敏度及頻響的測量系統(tǒng)由信號發(fā)生器,功率放大器、測試腔和示波器組成,如圖1所示。測試腔為圓桶狀,底部裝有聲發(fā)射換能器,上蓋安裝標準傳感器和被測傳感器,腔內充滿硅油。信號發(fā)生器產生正弦信號,通過功率放大器放大信號功率,輸入發(fā)射換能器,驅動換能器振動并產生聲波。標準傳感器和被測傳感器同時接收波動信號,其輸出分別通過示波器通道1和通道2示出,比較示波器兩通道輸出波形的峰值電壓,即可測量被測傳感器的靈敏度。調整信號發(fā)生器的頻率,可測量靈敏度隨頻率的變化情況,獲得傳感器的頻響特性。
1.2原理
采用間接比較法測量傳感器的靈敏度,在聲場均勻的油腔內,距發(fā)射源相同距離處放置標準傳感器和被測傳感器,兩傳感器同時接收換能器發(fā)射的聲波信號,用示波器分別測量2只傳感器的輸出峰值電壓V標和V測,得到V標/V測=M標/M測,即
M測=M標/V測/V標,(1)
式中M標和M測分別為標準傳感器和被測傳感器的靈敏度,V/Pa;V標和V測為標準水聽器和被測傳感器的輸出電壓,V。由式(1)可計算出被測傳感器的靈敏度。
2實驗
實驗用標準傳感器采用壓電陶瓷球狀水聽器,它是一種接收聲波信號的壓力傳感器,經國家一級水聲計量站標定,水聽器的靈敏度M標=87.1μV/Pa,靈敏度的不確定度為±5μV/Pa,諧振頻率大于60kHz。雖然水聽器的工作頻帶較寬,但測量系統(tǒng)的工作頻率上限受油腔尺寸的限制。通常腔體的設計尺寸應不大于四分之一波長,以保證腔內聲場的均勻性,系統(tǒng)的工作頻率高,腔體的尺寸小,限制了被測傳感器的尺寸。系統(tǒng)的測量頻率理論上不存在下限,但實際中腔內的發(fā)射器在低頻時發(fā)射功率較低,信噪比較小,限制了頻率下限。本實驗系統(tǒng)的設計頻帶為20Hz～4kHz。
實驗樣品采用北京信息工程學院研制的YLC-A型壓電式微壓傳感器,樣品數為3只。將傳感器安裝在測試腔蓋樣品架上,輸出端與腔蓋上的樣品輸出引線連接,扣緊腔蓋,按圖1所示連接系統(tǒng)。由于傳感器內裝前置放大器,需提供直流電源工作,電源加在腔蓋上被測傳感器輸出端。調節(jié)信號發(fā)生器產生正弦信號,信號幅度不宜過大,以避免傳感器輸出失真。選取多個信號頻率,分別測量每個頻率點兩傳感器的輸出電壓,在1kHz處示波器上的標準傳感器波形(1)的峰-峰值電壓為145.5mV;被測傳感器波形(2)的峰峰值電壓為5.85V。將V標和V測代入式(1)算出被測傳感器的靈敏度。根據計算結果繪制傳感器的靈敏度隨頻率變化曲線,如圖2所示,從而得到傳感器的頻率響應范圍。
3結論
(1)采用均勻聲腔硅油介質中傳播的聲波作為壓力源,用比較法比較標準傳感器和被測傳感器的輸出,可有效地測量壓電式微壓傳感器的靈敏度及頻率響應特性。3只傳感器的測量靈敏度分別為3.05,2.98,2.98mV/Pa,靈敏度波動小于0.5mV/Pa,頻率響應范圍為20～2000Hz。
(2)從圖4可看出:油腔波動聲壓測量系統(tǒng)同一樣品的2次測量數據(靈敏度及頻率響應范圍)重復性較好,偏差小于0.24mV/Pa。由于測量介質為硅油,每個樣品需置于硅油中測試,測完后需進行清洗,使用不便。下一步應完善測試系統(tǒng),設計防油透聲層保護被測傳感器免于接觸硅油,以簡化操作。
所周知,壓電式壓力傳感器的性能主要用瞬變壓力信號發(fā)生器和正弦信號發(fā)生器測量。瞬變壓力信號發(fā)生器是指產生階躍波或其他非周期信號的壓力發(fā)生器,目前,主要用激波管階躍壓力發(fā)生器,它利用激波在流體中傳播或者在一個剛性表面上反射產生階躍壓力,以激發(fā)傳感器的自振,它尤其適用于測量高頻響應的壓力傳感器。正弦信號發(fā)生器是一種產生正弦壓力信號的裝置,分為以下幾類:
(1)諧振空腔測量法:這種方法通常采用活塞、汽笛等激發(fā)密閉空腔的空氣振動,產生周期變化的壓力。一般諧振空腔的壓力在峰值較小,而且,頻率很低的情況下才是一個良好的正弦波,當壓力峰值較大,頻率較高時波型失真;
(2)非諧振空腔測量法:其工作原理是設法調制通過容器的氣流而產生周期變化的壓力;
(3)喇叭式壓力發(fā)生器:動圈式喇叭通電后產生振動,使空氣耦合腔內的氣壓作正弦變化,形成波動的聲壓信號。
上述壓力傳感器的測量方法,激波管階躍壓力發(fā)生器主要用于高頻、大量程壓力傳感器的測定,是目前應用廣泛的壓力標定裝置。諧振空腔和非諧振空腔式的正弦信號發(fā)生器由于在高頻、高壓的條件下,波形嚴重畸變,故一般只用于小壓力或低頻范圍的測量,但該系統(tǒng)較為復雜。喇叭式壓力發(fā)生器可產生波形良好的高頻壓力,但空氣中的聲壓較小,測量誤差較大。因此,現行的測量裝置中尚無理想的測量壓電微壓傳感器靈敏度的系統(tǒng)。
目前,壓電式微壓傳感器發(fā)展迅速,新研制出的一類傳感器由于采用壓電單晶片結構,并內置前置放大器,放大微弱信號并實現阻抗變換,從而使傳感器具有量程小、靈敏度高、抗干擾性好等特點。這類傳感器已廣泛用于脈搏、管壁壓力波動等微小信號的檢測,因此,迫切需要一種簡便的測量裝置測量傳感器的性能。對此,本文借鑒水聲測量中水聽器的校準方法,提出用油腔波動聲壓測量壓電式微壓傳感器的靈敏度及頻響。
1測量系統(tǒng)及原理
1.1測量系統(tǒng)
壓電式微壓傳感器靈敏度及頻響的測量系統(tǒng)由信號發(fā)生器,功率放大器、測試腔和示波器組成,如圖1所示。測試腔為圓桶狀,底部裝有聲發(fā)射換能器,上蓋安裝標準傳感器和被測傳感器,腔內充滿硅油。信號發(fā)生器產生正弦信號,通過功率放大器放大信號功率,輸入發(fā)射換能器,驅動換能器振動并產生聲波。標準傳感器和被測傳感器同時接收波動信號,其輸出分別通過示波器通道1和通道2示出,比較示波器兩通道輸出波形的峰值電壓,即可測量被測傳感器的靈敏度。調整信號發(fā)生器的頻率,可測量靈敏度隨頻率的變化情況,獲得傳感器的頻響特性。
1.2原理
采用間接比較法測量傳感器的靈敏度,在聲場均勻的油腔內,距發(fā)射源相同距離處放置標準傳感器和被測傳感器,兩傳感器同時接收換能器發(fā)射的聲波信號,用示波器分別測量2只傳感器的輸出峰值電壓V標和V測,得到V標/V測=M標/M測,即
M測=M標/V測/V標,(1)
式中M標和M測分別為標準傳感器和被測傳感器的靈敏度,V/Pa;V標和V測為標準水聽器和被測傳感器的輸出電壓,V。由式(1)可計算出被測傳感器的靈敏度。
2實驗
實驗用標準傳感器采用壓電陶瓷球狀水聽器,它是一種接收聲波信號的壓力傳感器,經國家一級水聲計量站標定,水聽器的靈敏度M標=87.1μV/Pa,靈敏度的不確定度為±5μV/Pa,諧振頻率大于60kHz。雖然水聽器的工作頻帶較寬,但測量系統(tǒng)的工作頻率上限受油腔尺寸的限制。通常腔體的設計尺寸應不大于四分之一波長,以保證腔內聲場的均勻性,系統(tǒng)的工作頻率高,腔體的尺寸小,限制了被測傳感器的尺寸。系統(tǒng)的測量頻率理論上不存在下限,但實際中腔內的發(fā)射器在低頻時發(fā)射功率較低,信噪比較小,限制了頻率下限。本實驗系統(tǒng)的設計頻帶為20Hz～4kHz。
實驗樣品采用北京信息工程學院研制的YLC-A型壓電式微壓傳感器,樣品數為3只。將傳感器安裝在測試腔蓋樣品架上,輸出端與腔蓋上的樣品輸出引線連接,扣緊腔蓋,按圖1所示連接系統(tǒng)。由于傳感器內裝前置放大器,需提供直流電源工作,電源加在腔蓋上被測傳感器輸出端。調節(jié)信號發(fā)生器產生正弦信號,信號幅度不宜過大,以避免傳感器輸出失真。選取多個信號頻率,分別測量每個頻率點兩傳感器的輸出電壓,在1kHz處示波器上的標準傳感器波形(1)的峰-峰值電壓為145.5mV;被測傳感器波形(2)的峰峰值電壓為5.85V。將V標和V測代入式(1)算出被測傳感器的靈敏度。根據計算結果繪制傳感器的靈敏度隨頻率變化曲線,如圖2所示,從而得到傳感器的頻率響應范圍。
3結論
(1)采用均勻聲腔硅油介質中傳播的聲波作為壓力源,用比較法比較標準傳感器和被測傳感器的輸出,可有效地測量壓電式微壓傳感器的靈敏度及頻率響應特性。3只傳感器的測量靈敏度分別為3.05,2.98,2.98mV/Pa,靈敏度波動小于0.5mV/Pa,頻率響應范圍為20～2000Hz。
(2)從圖4可看出:油腔波動聲壓測量系統(tǒng)同一樣品的2次測量數據(靈敏度及頻率響應范圍)重復性較好,偏差小于0.24mV/Pa。由于測量介質為硅油,每個樣品需置于硅油中測試,測完后需進行清洗,使用不便。下一步應完善測試系統(tǒng),設計防油透聲層保護被測傳感器免于接觸硅油,以簡化操作。
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