测量压电式微压传感器灵敏度的新方法

文章摘要：摘要:研制了一套压电微压传感器的性能测量系统,它采用均匀声腔硅油介质中传播的声波作为压力源,标准传感器和被测传感器同时接收波动声压,比较两传感器的输出,测定被测传感器的灵敏度及频响。实验测试了3只压电式微压传感器,结果表明:传感器的灵敏度平均为3.0mV/Pa,工作频率为20～2000Hz,灵敏度随频率波动小于0.5mV/Pa,灵敏度重复偏差小于0.24mV/Pa。关键词:压电;微压传感器;灵敏度;测试系统0 引言 众所周知,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

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摘要:研制了一套压电微压传感器的性能测量系统,它采用均匀声腔硅油介质中传播的声波作为压力源,标准传感器和被测传感器同时接收波动声压,比较两传感器的输出,测定被测传感器的灵敏度及频响。实验测试了3只压电式微压传感器,结果表明:传感器的灵敏度平均为3.0mV/Pa,工作频率为20～2000Hz,灵敏度随频率波动小于0.5mV/Pa,灵敏度重复偏差小于0.24mV/Pa。

　　　关键词:压电;微压传感器;灵敏度;测试系统

0    引言

        众所周知,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)

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