傳感器“解剖課”——壓電加速度計(jì)內(nèi)部探秘

第三篇：傳感器“解剖課”——壓電加速度計(jì)內(nèi)部探秘

大家好，我是力準(zhǔn)傳感的張工。前兩期我們聊了壓電傳感器的應(yīng)用和原理，今天我們來(lái)場(chǎng)“解剖課”——戴上“虛擬手套”，一起拆解這個(gè)神秘的小裝置。別擔(dān)心，我會(huì)準(zhǔn)備一個(gè)示意圖，大家跟著我的“手術(shù)刀”一步步來(lái)。

外觀第一印象：平凡中的不平凡

拿起一個(gè)典型的壓電加速度傳感器，它通常是個(gè)金屬圓柱體或立方體，大小從紐扣到拳頭不等。表面看，它似乎很簡(jiǎn)單：一個(gè)不銹鋼外殼，一個(gè)連接器，或許還有接地標(biāo)識(shí)。但真正的高級(jí)，都藏在看不見(jiàn)的地方。

第一層：保護(hù)外殼

外殼材料的選擇是門(mén)學(xué)問(wèn)：

• 普通工業(yè)環(huán)境：不銹鋼304足夠
• 腐蝕性環(huán)境：要用316不銹鋼甚至哈氏合金
• 特殊電磁環(huán)境：可能需要鍍鎳或特殊涂層

我曾在海上平臺(tái)項(xiàng)目遇到難題：傳感器在海洋大氣中三個(gè)月就銹蝕嚴(yán)重。后來(lái)我們改用鈦合金外殼+特殊密封，壽命延長(zhǎng)到五年以上——成本只增加了30%，但維護(hù)成本降低了90%。

打開(kāi)外殼：核心組件登場(chǎng)

1. 壓電元件——心臟所在

這就是上期說(shuō)的壓電陶瓷片。但它不是孤零零一片，而是經(jīng)過(guò)精密處理的組件：

• 陶瓷片：通常兩片，極化方向相反，串聯(lián)提高靈敏度
• 電極：陶瓷兩面鍍銀或鍍金，薄如蟬翼（真的只有幾微米?。?/li>
• 預(yù)緊力：用彈簧或螺栓施加適當(dāng)預(yù)緊力，確保接觸良好

小秘密：預(yù)緊力大小很關(guān)鍵。力太小，高頻響應(yīng)差；力太大，可能壓碎陶瓷。這個(gè)“恰到好處”的力，是我們經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)找到的。

2. 質(zhì)量塊——振動(dòng)的“翻譯官”

壓在壓電元件上的重金屬塊（通常是鎢合金）。為什么用鎢？因?yàn)?strong>密度大——同樣體積下質(zhì)量更大，同樣加速度下作用力更大，靈敏度更高。

有趣的現(xiàn)象：質(zhì)量塊不只是“死重”，它的重心位置、接觸面平整度都會(huì)影響性能。我們?cè)l(fā)現(xiàn)一批傳感器低頻響應(yīng)異常，追查三天，最后發(fā)現(xiàn)是質(zhì)量塊磨削時(shí)有0.01mm的傾斜！

3. 基座和隔離——安靜工作的保障

傳感器如何安裝到被測(cè)物上？基座設(shè)計(jì)決定了一切：

• 平面基座：最常見(jiàn)的螺栓安裝
• 三角平面：三顆螺栓，分布更均勻
• 絕緣基座：需要電氣隔離時(shí)使用

隔離墊圈是個(gè)小東西，作用卻很大。它能防止外殼變形直接傳到壓電元件，還能電氣隔離。我見(jiàn)過(guò)最慘的案例：客戶(hù)沒(méi)裝絕緣墊，設(shè)備漏電直接把傳感器電路燒毀。

密封技術(shù)：防潮防塵的生命線

壓電陶瓷最怕什么？潮濕！一旦吸濕，性能直線下降。我們的密封方案：

• 激光焊接：最高級(jí)別的密封，用于水下或高濕環(huán)境
• 環(huán)氧樹(shù)脂密封：成本較低，適合一般工業(yè)環(huán)境
• O型圈：可拆卸設(shè)計(jì)，維護(hù)方便

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)：在南方梅雨季，一個(gè)密封不良的傳感器靈敏度一周內(nèi)下降40%。所以我們現(xiàn)在出廠的每個(gè)傳感器都要經(jīng)過(guò)負(fù)壓檢漏——抽真空后檢測(cè)壓力回升速度，比國(guó)標(biāo)嚴(yán)格三倍。

內(nèi)部電路：電荷到電壓的轉(zhuǎn)換

對(duì)于IEPE（集成電路壓電）型傳感器，內(nèi)部還有個(gè)小巧的電路板：

• 阻抗變換電路：把高阻抗電荷信號(hào)轉(zhuǎn)為低阻抗電壓信號(hào)
• 恒流源供電：通過(guò)同一根電纜同時(shí)供電和傳輸信號(hào)
• 濾波電路：抑制高頻噪聲

這個(gè)電路板雖小，卻能在-40℃到125℃范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。我們?cè)鵀槭豌@井設(shè)備定制傳感器，要求耐150℃高溫——常規(guī)芯片不行，最后用了軍品級(jí)芯片+特殊散熱設(shè)計(jì)才解決。

特殊結(jié)構(gòu)：剪切式VS壓縮式

這是壓電加速度傳感器的兩大流派：

壓縮式（老一輩）：

• 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低
• 但基座應(yīng)變敏感（外殼變形會(huì)影響輸出）
• 熱釋電效應(yīng)明顯（溫度變化會(huì)產(chǎn)生假信號(hào)）

剪切式（現(xiàn)代主流）：

• 質(zhì)量塊和壓電元件“剪切”運(yùn)動(dòng)
• 幾乎不受基座應(yīng)變影響
• 熱釋電效應(yīng)極小
• 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大

選擇建議：對(duì)于一般工業(yè)測(cè)量，壓縮式足夠；對(duì)于精密實(shí)驗(yàn)室測(cè)量或高溫環(huán)境，推薦剪切式。

一個(gè)完整的故事

去年，某風(fēng)機(jī)廠家反饋我們的傳感器在特定轉(zhuǎn)速下輸出異常。我們拆解了退回的傳感器，發(fā)現(xiàn)：

1. 內(nèi)部一顆固定螺栓有輕微松動(dòng)（裝配問(wèn)題）
2. 質(zhì)量塊邊緣有細(xì)微磨損（振動(dòng)導(dǎo)致）
3. 陶瓷片表面電極有氧化跡象（密封微漏）

不是單一問(wèn)題，而是多個(gè)小問(wèn)題疊加。改進(jìn)后，我們把裝配扭矩控制精度提高了一倍，并增加了振動(dòng)老化篩選工序。此后同類(lèi)問(wèn)題再未出現(xiàn)。

下期預(yù)告

了解了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，下次我們要解決實(shí)際問(wèn)題：如何選擇合適的壓電加速度傳感器？ 面對(duì)琳瑯滿(mǎn)目的型號(hào)，記住這六個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，你就能成為選型專(zhuān)家！

動(dòng)手小建議：如果你有報(bào)廢的傳感器（確保安全?。?，可以嘗試拆解看看。但注意：壓電陶瓷易碎，內(nèi)部可能有彈簧飛濺，請(qǐng)做好防護(hù)。更好的方式是參加我們的技術(shù)培訓(xùn)，那里有專(zhuān)門(mén)的拆解教具。

我是力準(zhǔn)傳感的張工，紙上談兵終覺(jué)淺，下期我們進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)選型！

本文為“壓電加速度傳感器從入門(mén)到精通”系列第3篇。拆解傳感器就像讀一本精密機(jī)械的詩(shī)歌，每個(gè)細(xì)節(jié)都訴說(shuō)著工程智慧。下期我們將進(jìn)入實(shí)際選型領(lǐng)域，敬請(qǐng)期待！