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生器和正弦信號發生器測量。瞬變壓力信號發生器是指產生階躍波或其他非周期信號的壓力發生器,目前,主要用激波管階躍壓力發生器,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,但該系統較為復雜。喇叭式壓力發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。
目前,壓電式微壓傳感器發展迅速,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測量系統及原理
1.1測量系統
壓電式微壓傳感器靈敏度及頻響的測量系統由信號發生器,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。信號發生器產生正弦信號,通過功率放大器放大信號功率,輸入發射換能器,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。系統的測量頻率理論上不存在下限,但實際中腔內的發射器在低頻時發射功率較低,信噪比較小,限制了頻率下限。本實驗系統的設計頻帶為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。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。調節信號發生器產生正弦信號,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,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生器和正弦信號發生器測量。瞬變壓力信號發生器是指產生階躍波或其他非周期信號的壓力發生器,目前,主要用激波管階躍壓力發生器,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,但該系統較為復雜。喇叭式壓力發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。
目前,壓電式微壓傳感器發展迅速,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測量系統及原理
1.1測量系統
壓電式微壓傳感器靈敏度及頻響的測量系統由信號發生器,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。信號發生器產生正弦信號,通過功率放大器放大信號功率,輸入發射換能器,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。系統的測量頻率理論上不存在下限,但實際中腔內的發射器在低頻時發射功率較低,信噪比較小,限制了頻率下限。本實驗系統的設計頻帶為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。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。調節信號發生器產生正弦信號,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,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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