抗电磁宽频率响应IEPE型压电式振动传感器设计研究_王天资.pdf

第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：江苏省“双创计划”项目；江苏省“六大人才高峰”高层次人才选拔培育资助计划项目（）收稿日期：修改日期：，（，）：，（），：；：；：抗电磁宽频率响应 型压电式振动传感器设计研究王天资，章建文，张 磊，白 鸽（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州）摘 要：提高 型压电式振动传感器的频率响应测量范围和抗电磁干扰能力是其在航空领域实现应用的关键。在理论研究基础上分别从传感器结构、性能和电荷转换电路等方面进行设计，采用 有限元仿真软件辅助进行功能分析，并对设计传感器进行功能性能验证，研制出一种灵敏度为（），在 宽频率响应范围内灵敏度偏差以内，并具有良好的抗电磁干扰能力的 型压电式振动传感器，满足了航空发动机较低温度振动测量需求。关键词：压电式振动传感器；抗电磁干扰；宽频率响应中图分类号：文献标识码：文章编号：（）压电式振动传感器由于具有自发电、工作温度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、寿命长、可靠性高等优点，是目前航空发动机、燃气轮机等振动测量的首选，对发动机健康评估、故障预测与诊断起到关键作用。传感器选用压电材料作为关键敏感元件，利用压电元件的正压电效应将输入的振动加速度转换为电信号输出实现测量。根据输出信号方式的不同，压电式振动传感器可分为电荷输出型和 型（）两类。由于国内压电式振动传感器的研究起步相对较晚，用于发动机振动监测的传感器样式目前尚较为单一，以无信号处理的电荷输出型为主。型压电式振动传感器因内置电荷放大器可将电荷信号转换成低阻抗电压信号输出，外部采用普通电缆与数据采集系统连接即可，无需其它二次仪表，具有测量信号质量好、低噪声、宽频率响应、宽动态范围、抗外界干扰能力强、测量距离远等优点，并可实现微型设计。随着新研或改进型航空发动机振动监测要求的全面化、精确化以及信号输出通用化要求的提出，型压电式振动传感器逐渐受到青睐并显示出其独特的优势，在部分振动测量领域具有取代传统磁电式振动传感器或电荷输出型压电式振动传感器的趋势。然而，型传感器能够在发动机上全面准确监测的前提是解决其抗电磁干扰和宽频率响应测量等关键问题。本文在理论研究基础上分别从传感器结构，灵敏度、频率响应范围、正弦振动极限等性能以及电荷转换电路等方面进行设计研究，同时采用 有限元仿真软件辅助进行功能分析，传 感 技 术 学 报第 卷并对设计传感器进行功能性能实验验证，最终研制出一种灵敏度为（）、宽频率响应范围内灵敏度偏差在以内的抗电磁宽频率响应 型压电式振动传感器，以满足发动机较低温度（）振动测量需求。工作原理 型压电式振动传感器又称为低阻抗电压输出型压电式振动传感器，传感器内部前置电荷放大器可直接将电荷信号转换成低阻抗电压信号实现输出，其工作原理如图 所示。传感器由惯性质量和压电元件等构成，测量原理符合牛顿第二定律，振动加速度 作用在惯性质量 上的力 通过压电元件转换实现测量。内置电路有电荷放大器或电压放大器两种，主要作用是将 传感器产生的高阻抗电荷信号变换成可进行远距离传输的低阻抗电压信号，通常由基于场效应晶体管（）的输入级和基于双极型晶体管（）的输出级组成，的类型可以是 沟道、沟道 或 沟道，可以是 或 型晶体管。图 型压电式振动传感器工作原理图 型压电式振动传感器设计本研究设计的 型压电式振动传感器包括压电组件和电荷转换电路两个主要部分，通过传感器结构，灵敏度、频率响应范围、正弦振动极限等性能以及电荷转换电路等设计，并采用 有限元仿真软件辅助功能分析以实现性能指标要求。传感器结构设计根据装配结构和工作原理不同，压电式振动传感器通常有压缩型和剪切型两种结构形式。压缩型传感器结构简单且刚度较高，但由于压电元件与底座紧密接触，对底座应变较为敏感，在较薄金属结构或不稳定环境低频下使用可能影响信号输出准确性。相比于压缩型结构，剪切型结构传感器通常灵敏度输出更高、频率响应范围更宽、横向输出更低且温度特性更加优异。考虑到传感器安装的灵活性，传感器设计成环形剪切结构（如图 所示），主要由外壳、底座、屏蔽罩、端盖、电荷转换电路、压电元件、质量块和电连接器等组成，圆环形压电元件通过机械预加载嵌套在底座与圆环形质量块之间，电荷信号由压电元件的内、外表面输出。传感器内置的电荷转换电路将电荷信号转换成等比例输出的电压信号实现输出，在满足信号输出要求的同时，通过电子滤波改善传感器的频率响应特性，并有效抑制机械共振。考虑到传感器机载应用的良好抗电磁屏蔽特殊性能要求，特设计双屏蔽外壳并在选材时予以考虑，屏蔽外壳外层选用不锈钢材料可以防止高频（）信号干扰，内层黄铜材料可有效保护传感器免受低频信号（如 或 电源频率）的干扰。图 传感器结构示意图图 传感器等效电路图 传感器性能设计灵敏度灵敏度是传感器输出电信号与所承受振动加速度的比值，是表征传感器性能的最基本参数。本研究中，传感器灵敏度要求为（），因此需采用内置电荷转换电路将原始电荷信号转换成比例输出的电压信号输出。根据工作原理，传感器可等效成一个与电容 相并联的电荷源，等效电路如图 所示。剪切型传感器的电荷灵敏度可表示为（其中 是压电元件的压电系数，为质量块质量）。当用导线将传感器与测量仪表连接时，还应同时考虑连接导线的等效电容、电荷转换电路的输入电阻、输入电容 以及传感器的泄漏电阻 等。电荷转换电路是具有深度负反馈的高增益放大第 期王天资，章建文等：抗电磁宽频率响应 型压电式振动传感器设计研究 器，由于其输入阻抗很高，输入端电流极低，因此可忽略、并联电阻的影响。根据 定律，可将反馈电路的阻抗折算到输入端，电荷转换电路的输出电压 由等效电路可得：()（）由于电荷转换电路的增益 很大，即（），则上式可简化为：()（）即电荷转换电路的输出电压只取决于输出电荷 和反馈电容。因此，通过选用合适压电系数的压电元件、调整质量块质量或在电荷转换电路中选择适合的反馈电容即可将传感器灵敏度控制在要求范围内。此外，利用激光调阻精确微调后端比例放大电路，还可进一步修正传感器的灵敏度数值。例如，本研究中当压电元件压电系数 、质量块质量 、选择耐压 、的反馈电容、并将比例放大电路的放大比例调整为 时，传感器的电压灵敏度 为 。频率响应范围频率响应范围是表征传感器实际应用中可用工作频段的重要性能指标。传感器要求在 宽频率响应范围内灵敏度偏差在以内。压电式振动传感器内置电荷转换电路后，在保证传感器自身绝缘电阻的前提下，其低频下限 主要由式（）决定，即：（）式中：是电荷转换电路的反馈电容，为并联在反馈电容两端的漏电阻。传感器的高频上限由其安装谐振频率所确定，通常约为传感器安装谐振频率的。传感器的安装谐振频率 可表示为：（）由上式可知，提高传感器的安装谐振频率 可通过提高材料刚度 或降低传感器的端动态质量 实现。本设计中，材料等效刚度 ，端动态质量 ，由此计算得到传感器的安装谐振频率 ，传感器的高频上限约为，理论上可满足最高工作频率 的要求。正弦振动极限为满足机载应用要求，传感器通常需在峰值加速度 振动量级内具有稳定输出。传感器设计时在材料选用和连接方式等方面均进行了充分考虑。材料选用方面，外壳和底座等与外界环境接触的零件均选用高低温机械性能、冷热疲劳性能优良的不锈钢材料，质量块选用力学性能优异的钨合金或不锈钢材料，绝缘环和压电元件均需耐峰值加速度 振动且压电元件在大量级振动条件下输出稳定；连接方式方面，传感器各零件及预紧力施加采用焊接方式连接，从而满足机械振动要求。电荷转换电路设计传感器输出信号为电压信号，而压电元件自身输出的原始信号为微弱的电荷信号。为放大压电元件的微弱信号并将高阻抗输入变换为低阻抗输出，传感器需内置一个前置电荷转换电路。为此，本研究中设计了基于场效应管的两线制电荷转换电路，原理图如图 所示。图 电荷转换电路原理图电荷转换电路主要包括阻抗变换、电压放大和输出级三部分。电路输入和输出信号共地，且与传感器外壳地电学隔离，并由恒流源供给电能工作。高输入阻抗的场效应管实现小信号电压控制构成输入级，经 和 分压构成的偏置电路，与 配合稳定电路的静态工作点和直流分量，信号经由 双极晶体管构成的共基极电流跟随器，输入输出电压相位相同，实现电压放大，放大能力由 三极管的输出负载和输入负载比决定。输出共射级电路 三极管用于提高输出驱动能力，电阻 起着电压放大调节作用。电路输出信号由隔直滤波电路滤除直流信号分量和高频噪声信号，最终形成反应振动状况的交变电压信号。与此同时，为验证电路设计的可行性，采用仿真分析软件对电路输入端施加交流电压源进行 范围的幅频响应和相频响应的交流扫频分析，结果如图 所示。由扫频结果可知，传感器内置电荷转换电路在 范围内均具有平坦的频率响应特性，由此证实所设计电路可满足最高工作频率 的频率响应要求。传 感 技 术 学 报第 卷图 电荷转换电路在 扫频仿真分析结果 有限元仿真分析为验证传感器结构设计的合理性，根据所设计传感器结构和各零部件装配关系建立了有限元模型，利用 有限元仿真分析软件进行随机振动仿真分析。同时，为进一步评估传感器输出性能，对其核心部件进行了模态分析和频响分析。随机振动仿真分析利用建立的传感器有限元模型施加沿、三轴向的随机振动载荷，载荷施加位置为外壳上的安装约束位置，振动量级按耐久振动施加。通过计算传感器沿三轴向振动时的 等效应力分布情况可知（如图 和表 所示），传感器在承受沿三轴向的随机振动载荷时，屈服安全系数大于，结构设计合理，无破坏风险。图 传感器沿、轴随机振动时整体等效应力分布云图表 随机振动仿真分析结果振动轴向等效应力最大值 最大等效应力部位屈服安全系数 轴盖开孔处 轴盖开孔处 轴盖开孔处 注：屈服安全系数材料屈服强度 等效应力最大值；注：最大等效应力部位均位于盖开孔处，材料为 不锈钢，屈服强度为 。模态分析对传感器核心部件模拟实际安装状态，并对其中心孔内圆柱面进行位移约束，结果如图 和表 所示。可以看出，传感器核心部件第 阶固有频率为 ，其余各阶固有频率均高于 ，表明所设计传感器结构在 工作频率范围内不会发生机械共振。图 传感器核心部件结构及仿真分析示意图表 传感器前 阶固有频率阶数固有频率 阶数固有频率 频响分析对传感器核心部件按峰值加速度 的加速度量级进行电荷灵敏度谐响应分析，分析时采用 （）求解器，结果如图 所示。由分析结果可知，传感器核心部件在 附近出现谐响应共振峰，（约为谐振频率的）以内曲线较为平坦，开始起峰，频响偏差约为，可以满足相应指标要求。图 传感器核心部件频响分析结果 实验验证通过前述设计研究，选用工作温度范围为 、压电系数 的 基环形剪切压电元件以及采用基于氧化铝陶瓷基板的厚膜裸芯电路进行电路微型化和集成，研制出满足性能要求的 型压电式振动传感器。压电陶瓷元件、厚膜裸芯电路及传感器外形如图 所示。第 期王天资，章建文等：抗电磁宽频率响应 型压电式振动传感器设计研究 图 传感器频率响应测试结果图 压电陶瓷元件、厚膜裸芯电路及传感器外形图 采用 公司 振动传感器全自动校准系统对传感器灵敏度、频率响应范围等进行测试，由测试结果可知（见图 和表），传感器灵敏度为 ，与理论计算值基本吻合；在 频 率 响 应 范 围 内 灵 敏 度 最 大 偏 差 为，受仪器测试能力限制，对 频率范围内的灵敏度偏差通过共振频率测试曲线进行评估，灵敏度偏差也可满足以内要求，传感器共振频率，与有限元仿真分析结果基本吻合。表 传感器频率响应结果频率 偏差 相位（）同时，传感器按照、等分别进行了高低温、振动、冲击、加速度、电磁兼容等试验（部分如图 所示），传感器表现出良好的结构强度和耐高低温、抗电磁干扰能力，能够满足机载应用要求。图 传感器部分试验图片 结语本研究研制出一种抗电磁宽频率响应 型压电式振动传感器，首先分别从传感器结构，灵敏度、频率响应范围、正弦振动极限等性能以及电荷转换电路等方面进行理论分析设计研究，并利用 有限元仿真分析软件对设计结构进行了随机振动仿真分析，并对传感器核心部件进行模态分传 感 技 术 学 报第 卷析和频响分析以辅助进行功能设计，最后