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压电式振动传感器的封装形式

2020-5-22 9:06:11      点击:

压电式振动传感器的封装形式

    压电式振动传感器的工作原理是利用敏感芯体的压电效应,而压电材料产生的是高阻抗的电荷信号。传感器敏感芯体的绝缘阻抗与传感器的低频测量截止频率存在着相互对应的关系。为了保证传感器的低频响应,传感器壳体封装设计应使敏感芯体与外界隔绝,以防止压电陶瓷受到任何污染而导致其绝缘阻抗下降。敏感芯体绝缘阻抗下降对传感器性能造成的直接影响表现为低频响应变差,严重时还将造成传感器灵敏度改变。为保证传感器的密封特性,大多传感器的封装采用激光焊接。同时在当今密封材料品种多样,性能日益完善的情况下,针对不同的使用环境,采用合适的密封材料替代激光焊接也能达到传感器密封的要求。但必须指出不同的密封材料效果差异很大。

    在工业现场测试现场,为防止电磁场对传感器信号的影响,对用于工业现场的在线监测传感器往往要求传感器采用双重屏蔽壳封装形式。双层屏蔽结构的传感器输出接头一般采用双芯工业接头或联体电缆输出形式。由于双层屏蔽壳的结构特点和双芯输出电缆,传感器的高频特性一般将受到较大的制约,因此如果用户必须选用双层屏蔽型传感器进行高频振动信号测量,应谨慎考虑。


   传感器输出接头形式
       M5(M6)接头是加速度传感器最为常用的输出接头形式。M5接头特点是尺寸较小,一般配用直径较细的电缆(2mm或3mm),比较适合振动实验的测试。另外M5(M6)的结构型式对信号屏蔽较好,所以对电荷输出型加速度传感器因其输出为较容易受干扰的高阻抗信号一般均采用M5(M6)接头。测量振动的加速度传感器接头一般避免使用Q9(BNC),原因是Q9(BNC),接头组件没有螺纹联接,构件之间的机械耦合刚度较低;因此如果加速度传感器输出采用Q9(BNC),,其将会影响传感器的高频响应。
    用于工业环境下的振动测量加速度传感器按可分为巡回检测和在线监测,前者一般采用单层壳屏蔽型式,因此传感器的接头较多使用M6或TNC接头。而在线监测因经常采用双层屏蔽的结构型式,与其对应的电缆为双芯屏蔽电缆,所以双芯工业接头如M12,M16以及C5015均被广泛使用。另外连体电缆具有较高的可靠性,因此在工业环境下使用的传感器无论是单层和双层屏蔽的结构都广泛采用连体电缆为输出接头的形式。

    需要指出的是无论是那一种输出接头对水下测量都有其局限性,即使传感器本身密封性能达到要求,但电缆联接一般都需要做特殊处理后才能用于水下测量。


   ·电缆的选择
    对输出为高阻抗信号的电荷型压电型传感器而言,为保证测量信号不受因电缆移动而造成噪声的影响,传感器的输出信号电缆一般都采用低噪声电缆。而输出为低阻抗电压信号的IEPE传感器,低噪声电缆并不一定是必需的。高频,低频信号对电缆不同要求的典型的例子是多轴向测量传感器的电缆,多通道高阻抗信号的电缆必须是各自独立的低噪声屏蔽电缆,而多通道低阻抗的电压信号便可采用多芯绞线加屏蔽的电缆。
    在通用型传感器的电缆配备中因考虑到电缆的重量和成本,Φ2mm直径的低噪声电缆为加速度传感器的标准配置。工业现场用的传感器一般以IEPE型为主,电缆本身的强度也成为重要考虑因素,因此Φ3mm直径的低噪声电缆和Φ4.5mm直径的普通同轴屏蔽电缆成为最常使用的电缆。而对双层屏蔽壳设计的IEPE型传感器的电缆配置均为双绞芯线外加屏蔽的电缆。

    在加速度传感器输出信号电缆的选择中,除电缆结构外,其他最经常考虑的指标是电缆的应用温度以及在工业现场测试中电缆外层材料耐腐蚀的能力。最为普遍使用的电缆绝缘材料为PVC,使用温度范围为-40oC到+105oC。对应用环境较恶劣的场合,最经常选用的电缆绝缘材料为聚四氟乙烯;其使用温度范围为-45oC到+250oC,且耐腐蚀能力也优于其它大多数电缆绝缘材料。但用四氟材料做的电缆柔性较差,价格也远高于PVC材料。


    ·传感器横向灵敏度及横向振动对测量的影响
    由于压电材料自身特性,敏感芯体的结构设计和制造精度偏差使传感器不可避免地对横向振动产生输出信号,其大小由横向输出和垂直方向输出的比值百分数来表示。

    根据不同敏感芯体结构和材料特性的组合,压缩型结构在理论上便存在横向输出,需要通过装配调节的方式给予抵消,而在实际制造过程中很难实现真正的抵消,因此压缩型加速度传感器的横向灵敏度的离散度很大。与压缩型相比剪切型设计在理论上不存在横向输出,传感器的实际横向输出一般是由材料加工和装配精度所引起的误差。所以从这两种敏感芯体的实际对比结果来看,剪切型压电加速度传感器的横向灵敏度普遍优于压缩型式。而敏感芯体为弯曲梁结构形式的横向灵敏度一般说介于剪切型和压缩型之间。根据敏感芯体的结构特性,在其受横向振动时与垂直方向振动一样,也有相应的结构频率响应。所以横向振动也同样可能在某一频率点产生谐振,以至产生较大的横向振动偏差。