压电加速度传感器测量中的温度补偿设计

吴晓娜，白金柯

(河南化工职业学院机械电子系，河南 郑州 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：为了解决压电加速度传感器易受温度影响的缺点，通过分析其测量原理和温度变化对压电传感器性能的影响，提出了在压电加速度测量系统中加入热敏元件进行温度测量，并利用单片机软件进行自动实时温度补偿的方法。结果表明，实施温度补偿后，提高了压电加速度传感器的工作性能与可靠性。

关键词：压电加速度传感器；温度补偿；测量

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)04-0062-03

收稿日期：2014-12-05

作者简介：吴晓娜(1980-)，女，河南宝丰人，讲师，硕士，主要从事检测技术与自动化装置方面的研究。

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

随着现代工业和自动化程度的提高，动态测试、实时自动检测已成为发展的必然趋势。振动与冲击能否精确测量对动态测试而言至关重要，压电加速度传感器具有动态响应好、测量范围宽和灵敏度高等优点，常被用于动态测控系统中，来获取振动和冲击信号。

压电陶瓷因其成本低、工艺性好、灵敏度高，而成为压电传感器的常用压电材料。但压电陶瓷本身的性能很容易受温度变化的影响，而一般的压电加速度传感器自身又没有温度补偿功能，若直接将其用到环境温度波动比较大的场合，则传感器的可靠性会降低。为了提高压电加速度传感器的工作可靠性，扩大压电陶瓷所制成的加速度传感器的使用范围，在测量时对其进行温度补偿就很有必要。

1压电加速度传感器的测量原理

图1　压电式加速度计的结构原理

压电式加速度传感器是基于某些电介质的压电效应工作的，主要由压电元件、弹性元件、质量块以及外壳等组成。在结构上可分为剪切型和压缩型，这里以压缩型为例来说明其原理。一种压缩式压电加速度计的结构原理如图1所示。在压电片上放一个质量块，用一弹簧压紧施加预应力，这样既可以保证两压电片间接触良好避免压力变化而产生的非线性误差，又能使压电片在交变力作用下始终受压。

测量时，通过基座将传感器紧固在被测物体上。当传感器承受振动时，质量块受到了与加速度方向相反的惯性力作用，这样压电元件就受到了一个来自于质量块并正比于加速度的交变力作用。当被测物体的振动频率比传感器的固有频率远远小时，传感器就会输出与被测物体的加速度成正比的电荷(或电压)。经信号调理电路处理后，即可测出加速度。

2温度对压电加速度传感器性能的影响

压电传感器受环境温度的影响主要表现在3个方面：传感器的结构、压电材料的热释电效应和压电材料的特性参数。结构方面，由于陶瓷材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数本身有很大差别，质量块与支撑台之间的距离将产生微小的变化，从而导致质量块对压电陶瓷的预紧力也产生了变化。此外，压电材料的电阻率ρ、介电常数ε和压电系数d等特性参数都会随着温度的变化而变化，而它们的变化将影响到传感器的低频响应特性及输出灵敏度。这些都使得压电加速度传感器在应用温度范围上受到了一定的限制，故采取一定的温度补偿措施是必要的。

3温度补偿方案的设计与实现

3.1补偿方案的设计

在测量时加入温度传感器，并将其采集到的温度信息送给单片机，单片机根据存储的程序对结果自动修正从而实现补偿。由此可得到压电加速度传感器温度补偿测量系统如图2所示。

图2压电加速度传感器温度补偿系统

测量系统工作时，首先，压电加速度传感器将被测的加速度转换为电荷进行输出，然后经电荷转换、低通滤波和电压放大等将信号变换为适合A/D接收的电压信号，同时，热敏元件将实时检测压电传感器的工作环境温度，通过恒流源测温电路得到电压输出，2路信号都经过A/D转换送入到单片机中，最终单片机通过对送入的数据分析处理后再次进行输出。系统进行实时温度补偿的具体方法是：通过具体的实验，标定出压电加速度传感器在不同温度下所对应的温度漂移值，然后把标定的结果以数据表的形式存放到单片机的只读存储器中。在实际测量时，单片机会依据接收的实时温度信息对结果进行自动补偿和修正。

3.2系统中硬件的选择

3.2.1　热敏元件的选择

铂电阻Pt100精度高、性能稳定、测温范围广，是中低温测量中最常用的一种检测器件。在这里，热敏元件选用Pt100，它不但可以满足一般测试中环境温度的变化范围，且由于其自身性能好，可进一步减小测量误差。

3.2.2 　A/D转换电路的选择

系统采用TLC2543作为A/D转换电路，它使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，具有与微处理器接口简单、转换快和稳定性好等优点。其引脚分布如图3所示。

图3　TLC2543管脚电路

3.2.3　单片机选型

在采集系统中，选用AT89S51单片机作为主控制器，其外围连接电路如图4所示。

图4　单片机及外围连接电路

图4中，P1口作为通信端来连接时钟和A/D转换器；P3.0～P3.2为按键控制端，用作时间设定和修改；P0端口接LCD显示的数据端；而P2.5～P2.7为LCD控制端。

3.3软件设计

系统设计了温度补偿功能，其软件流程如图5所示。

图5　程序设计流程

4温度补偿结果与分析

将压电加速度传感器用螺栓固定法安装牢靠，选择振动频率在1～10 kHz范围内变化。将测试系统置于不同的温度条件下进行测试，当温度变化范围为20～150 ℃时，结果表明，温度发生变化，压电传感器工作时的灵敏度相对误差，在没有温度补偿环节的情况下达到了8%左右。加入温度补偿环节后，输出灵敏度的相对误差降到了2%以下。同时，压电传感器的低频响应特性比没有补偿时也有明显改善。从结果来看，采取温度补偿措施解决了普通压电传感器受温度影响大，进而影响其工作性能的问题，达到了预期的设计效果。

5结束语

利用温度传感器和单片机技术，实现对压电加速度传感器测量系统温度自动补偿的方法，具有结构简单、性能稳定和成本低等特点，对于压电测试系统在工程中的广泛应用具有一定的价值和意义。

参考文献：

[1]王煜东.传感器及应用.北京：机械工业出版社，2008.

[2]邢丽娟，杨世忠.压电加速度测量系统的设计.压电与声光，2009，31(2)：215-217.

[3]李智慧，姜印平，邵磊.新型压电加速度传感器.传感器技术学报，2003，16(3)：345-347.

[4]李海真，孙运强，许鸿鹰.高精度多路温度采集模块硬件电路设计.电子测试，2008(12)：58-64.

[5]苏威，刘宁．高精度多路温度检测系统设计．自动化技术与应用，2007，26(2):55-57.

[6]兰羽，白洁.基于Pt100传感器的温度测量系统设计.机械与电子，2013(10)：44-46.