壓電加速度傳感器測量中的溫度補償設(shè)計

吳曉娜，白金柯

(河南化工職業(yè)學院機械電子系，河南 鄭州 450042)

Design for the Piezoelectric Acceleration Sensor in the Measurementof Temperature Compensation

WU Xiaona，BAI Jinke

(Department of Mechanical and Electronic Engineering，Henan Vocational College of Chemical

Technology，Zhengzhou 450042，China)

摘要：為了解決壓電加速度傳感器易受溫度影響的缺點，通過分析其測量原理和溫度變化對壓電傳感器性能的影響，提出了在壓電加速度測量系統(tǒng)中加入熱敏元件進行溫度測量，并利用單片機軟件進行自動實時溫度補償?shù)姆椒?。結(jié)果表明，實施溫度補償后，提高了壓電加速度傳感器的工作性能與可靠性。

關(guān)鍵詞：壓電加速度傳感器；溫度補償；測量

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)04-0062-03

收稿日期：2014-12-05

作者簡介：吳曉娜(1980-)，女，河南寶豐人，講師，碩士，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方面的研究。

Abstract：In order to solve the problems of piezoelectric acceleration sensors are affected greatly by temperature，based on the analysis of the measuring principle of piezoelectric acceleration sensors and the influence of temperature on the performance of sensors，A method of in the piezoelectric acceleration measurement system with the temperature sensor for temperature measurement is proposed and the method of using the single-chip microcomputer software for automatic temperature compensation is realized.The results show that after the implementation of temperature compensation the working performance and reliability ofpiezoelectric acceleration sensors are greatly increased.

Key words：piezoelectric acceleration sensors; temperature compensation; measurement

0引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和自動化程度的提高，動態(tài)測試、實時自動檢測已成為發(fā)展的必然趨勢。振動與沖擊能否精確測量對動態(tài)測試而言至關(guān)重要，壓電加速度傳感器具有動態(tài)響應(yīng)好、測量范圍寬和靈敏度高等優(yōu)點，常被用于動態(tài)測控系統(tǒng)中，來獲取振動和沖擊信號。

壓電陶瓷因其成本低、工藝性好、靈敏度高，而成為壓電傳感器的常用壓電材料。但壓電陶瓷本身的性能很容易受溫度變化的影響，而一般的壓電加速度傳感器自身又沒有溫度補償功能，若直接將其用到環(huán)境溫度波動比較大的場合，則傳感器的可靠性會降低。為了提高壓電加速度傳感器的工作可靠性，擴大壓電陶瓷所制成的加速度傳感器的使用范圍，在測量時對其進行溫度補償就很有必要。

1壓電加速度傳感器的測量原理

圖1　壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)原理

壓電式加速度傳感器是基于某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)工作的，主要由壓電元件、彈性元件、質(zhì)量塊以及外殼等組成。在結(jié)構(gòu)上可分為剪切型和壓縮型，這里以壓縮型為例來說明其原理。一種壓縮式壓電加速度計的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。在壓電片上放一個質(zhì)量塊，用一彈簧壓緊施加預(yù)應(yīng)力，這樣既可以保證兩壓電片間接觸良好避免壓力變化而產(chǎn)生的非線性誤差，又能使壓電片在交變力作用下始終受壓。

測量時，通過基座將傳感器緊固在被測物體上。當傳感器承受振動時，質(zhì)量塊受到了與加速度方向相反的慣性力作用，這樣壓電元件就受到了一個來自于質(zhì)量塊并正比于加速度的交變力作用。當被測物體的振動頻率比傳感器的固有頻率遠遠小時，傳感器就會輸出與被測物體的加速度成正比的電荷(或電壓)。經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，即可測出加速度。

2溫度對壓電加速度傳感器性能的影響

壓電傳感器受環(huán)境溫度的影響主要表現(xiàn)在3個方面：傳感器的結(jié)構(gòu)、壓電材料的熱釋電效應(yīng)和壓電材料的特性參數(shù)。結(jié)構(gòu)方面，由于陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)與金屬材料的熱膨脹系數(shù)本身有很大差別，質(zhì)量塊與支撐臺之間的距離將產(chǎn)生微小的變化，從而導致質(zhì)量塊對壓電陶瓷的預(yù)緊力也產(chǎn)生了變化。此外，壓電材料的電阻率ρ、介電常數(shù)ε和壓電系數(shù)d等特性參數(shù)都會隨著溫度的變化而變化，而它們的變化將影響到傳感器的低頻響應(yīng)特性及輸出靈敏度。這些都使得壓電加速度傳感器在應(yīng)用溫度范圍上受到了一定的限制，故采取一定的溫度補償措施是必要的。

3溫度補償方案的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1補償方案的設(shè)計

在測量時加入溫度傳感器，并將其采集到的溫度信息送給單片機，單片機根據(jù)存儲的程序?qū)Y(jié)果自動修正從而實現(xiàn)補償。由此可得到壓電加速度傳感器溫度補償測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2壓電加速度傳感器溫度補償系統(tǒng)

測量系統(tǒng)工作時，首先，壓電加速度傳感器將被測的加速度轉(zhuǎn)換為電荷進行輸出，然后經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換、低通濾波和電壓放大等將信號變換為適合A/D接收的電壓信號，同時，熱敏元件將實時檢測壓電傳感器的工作環(huán)境溫度，通過恒流源測溫電路得到電壓輸出，2路信號都經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入到單片機中，最終單片機通過對送入的數(shù)據(jù)分析處理后再次進行輸出。系統(tǒng)進行實時溫度補償?shù)木唧w方法是：通過具體的實驗，標定出壓電加速度傳感器在不同溫度下所對應(yīng)的溫度漂移值，然后把標定的結(jié)果以數(shù)據(jù)表的形式存放到單片機的只讀存儲器中。在實際測量時，單片機會依據(jù)接收的實時溫度信息對結(jié)果進行自動補償和修正。

3.2系統(tǒng)中硬件的選擇

3.2.1　熱敏元件的選擇

鉑電阻Pt100精度高、性能穩(wěn)定、測溫范圍廣，是中低溫測量中最常用的一種檢測器件。在這里，熱敏元件選用Pt100，它不但可以滿足一般測試中環(huán)境溫度的變化范圍，且由于其自身性能好，可進一步減小測量誤差。

3.2.2 　A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇

系統(tǒng)采用TLC2543作為A/D轉(zhuǎn)換電路，它使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，具有與微處理器接口簡單、轉(zhuǎn)換快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。其引腳分布如圖3所示。

圖3　TLC2543管腳電路

3.2.3　單片機選型

在采集系統(tǒng)中，選用AT89S51單片機作為主控制器，其外圍連接電路如圖4所示。

圖4　單片機及外圍連接電路

圖4中，P1口作為通信端來連接時鐘和A/D轉(zhuǎn)換器；P3.0～P3.2為按鍵控制端，用作時間設(shè)定和修改；P0端口接LCD顯示的數(shù)據(jù)端；而P2.5～P2.7為LCD控制端。

3.3軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了溫度補償功能，其軟件流程如圖5所示。

圖5　程序設(shè)計流程

4溫度補償結(jié)果與分析

將壓電加速度傳感器用螺栓固定法安裝牢靠，選擇振動頻率在1～10 kHz范圍內(nèi)變化。將測試系統(tǒng)置于不同的溫度條件下進行測試，當溫度變化范圍為20～150 ℃時，結(jié)果表明，溫度發(fā)生變化，壓電傳感器工作時的靈敏度相對誤差，在沒有溫度補償環(huán)節(jié)的情況下達到了8%左右。加入溫度補償環(huán)節(jié)后，輸出靈敏度的相對誤差降到了2%以下。同時，壓電傳感器的低頻響應(yīng)特性比沒有補償時也有明顯改善。從結(jié)果來看，采取溫度補償措施解決了普通壓電傳感器受溫度影響大，進而影響其工作性能的問題，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。

5結(jié)束語

利用溫度傳感器和單片機技術(shù)，實現(xiàn)對壓電加速度傳感器測量系統(tǒng)溫度自動補償?shù)姆椒?，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定和成本低等特點，對于壓電測試系統(tǒng)在工程中的廣泛應(yīng)用具有一定的價值和意義。

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