正弦信号发生器是一种产生正弦压力信号的装置,分为以下几类:

（1）谐振空腔测量法:这种方法通常采用活塞、汽笛等激发密闭空腔的空气振动,产生周期变化的压力。一般谐振空腔的压力在峰值较小,而且,频率很低的情况下才是一个良好的正弦波,当压力峰值较大,频率较高时波型失真;

（2）非谐振空腔测量法:其工作原理是设法调制通过容器的气流而产生周期变化的压力;

（3）喇叭式压力发生器:动圈式喇叭通电后产生振动,使空气耦合腔内的气压作正弦变化,形成波动的声压信号。

上述压力传感器的测量方法,激波管阶跃压力发生器主要用于高频、大量程压力传感器的测定,是目前应用广泛的压力标定装置。谐振空腔和非谐振空腔式的正弦信号发生器由于在高频、高压的条件 下,波形严重畸变,故一般只用于小压力或低频范围的测量,但该系统较为复杂。喇叭式压力发生器可产生波形良好的高频压力,但空气中的声压较小,测量误差较大。因此,现行的测量装置中尚无理想的测量压电微压传感器灵敏度的系统。

目前,压电式微压传感器发展迅速,新研制出的一类传感器由于采用压电单晶片结构,并内置前置放大器,放大微弱信号并实现阻抗变换,从而使传感器具有量程小、灵敏度高、抗干扰性好等特点。这类传感器已广泛用于脉搏、管壁压力波动等微小信号的检测,因此,迫切需要一种简便的测量装置测量传感器的性能。对此,本文借鉴水声测量中水听器的校准方法,提出用油腔波动声压测量压电式微压传感器的灵敏度及频响。

测量系统及原理

测量系统

压电式微压传感器灵敏度及频响的测量系统由信号发生器,功率放大器、测试腔和示波器组成,如图1所示。测试腔为圆桶状,底部装有声发射换能器,上盖安装标准传感器和被测传感器,腔内充满硅油。信号发生器产生正弦信号,通过功率放大器放大信号功率,输入发射换能器,驱动换能器振动并产生声波。标准传感器和被测传感器同时接收波动信号,其输出分别通过示波器通道1和通道2示出,比较示波器两通道输出波形的峰值电压,即可测量被测传感器的灵敏度。调整信号发生器的频率,可测量灵敏度随频率的变化情况,获得传感器的频响特性。

 
图1：压电式微压传感器测量系统

原理

采用间接比较法测量传感器的灵敏度,在声场均匀的油腔内,距发射源相同距离处放置标准传感器和被测传感器,两传感器同时接收换能器发射的声波信号,用示波器分别测量2只传感器的输出峰值电压V标和V测,得到V标/V测=M标/M测,即

M测=M标/V测/V标, （1）

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。

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。

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。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,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：传感器两次灵敏度测量曲线

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。