测量压电式微压传感器灵敏度的新方法

文章摘要：式中M标和M测分别为标准传感器和被测传感器的灵敏度,V/Pa;V标和V测为标准水听器和被测传感器的输出电压,V。由式(1)可计算出被测传感器的灵敏度。2 实验 实验用标准传感器采用压电陶瓷球状水听器,它是一种接收声波信号的压力传感器,经国家一级水声计量站标定,水听器的灵敏度M标=87.1μV/Pa,灵敏度的不确定度为±5μV/Pa,谐振频率大于60kHz。虽然水听器的工作频带较宽,但测量系统的工作频率上限受油腔尺寸的限制。通常腔体的设计尺寸应不大于四分之一波长,以保证腔内声场的均匀性,系统的工作频率高,腔体的尺寸小,限制了被测传感器的尺寸。系统的测量频率理论上不存在下限,但

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式中M_标和M_测分别为标准传感器和被测传感器的灵敏度,V/Pa;V_标和V_测为标准水听器和被测传感器的输出电压,V。由式(1)可计算出被测传感器的灵敏度。

2    实验

        实验用标准传感器采用压电陶瓷球状水听器,它是一种接收声波信号的压力传感器,经国家一级水声计量站标定,水听器的灵敏度M标=87.1μV/Pa,灵敏度的不确定度为±5μV/Pa,谐振频率大于60kHz。虽然水听器的工作频带较宽,但测量系统的工作频率上限受油腔尺寸的限制。通常腔体的设计尺寸应不大于四分之一波长,以保证腔内声场的均匀性,系统的工作频率高,腔体的尺寸小,限制了被测传感器的尺寸。系统的测量频率理论上不存在下限,但实际中腔内的发射器在低频时发射功率较低,信噪比较小,限制了频率下限。本实验系统的设计频带为20Hz～4kHz。

        实验样品采用北京信息工程学院研制的YLC-A型压电式微压传感器,样品数为3只。将传感器安装在测试腔盖样品架上,输出端与腔盖上的样品输出引线连接,扣紧腔盖,按图1所示连接系统。由于传感器内装前置放大器,需提供直流电源工作,电源加在腔盖上被测传感器输出端。调节信号发生器产生正弦信号,信号幅度不宜过大,以避免传感器输出失真。选取多个信号频率,分别测量每个频率点两传感器的输出电压,在1kHz处示波器上的标准传感器波形(1)的峰-峰值电压为145.5mV;被测传感器波形(2)的峰峰值电压为5.85V。将V标和V测代入式(1)算出被测传感器的灵敏度。根据计算结果绘制传感器的灵敏度随频率变化曲线,如图2所示,从而得到传感器的频率响应范围。

图2    传感器灵敏度测量曲线

        为检测测量系统的重复性,实验对1^#传感器进行了重复测量,图3示出2次测量的灵敏度变化曲线。

图3    1^#传感器两次灵敏度测量曲线

3    结论

　　　(1)采用均匀声腔硅油介质中传播的声波作为压力源,用比较法比较标准传感器和被测传感器的输出,可有效地测量压电式微压传感器的灵敏度及频率响应特性。3只传感器的测量灵敏度分别为3.05,2.98,2.98mV/Pa,灵敏度波动小于0.5mV/Pa,频率响应范围为20～2000Hz。
(2)从图4可看出:油腔波动声压测量系统同一样品的2次测量数据(灵敏度及频率响应范围)重复性较好,偏差小于0.24mV/Pa。由于测量介质为硅油,每个样品需置于硅油中测试,测完后需进行清洗,使用不便。下一步应完善测试系统,设计防油透声层保护被测传感器免于接触硅油,以简化操作。

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