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根据失效概率对压电传感器潜在失效模式的调查以及实际现场使用的分析提出预防性的措施，同时为减少现有失效模式的设计方向提供了基本原则。基于对在各种各样应用的传感器在使用一段时间后返回制造商的分析以及各种传感器性能的可控试验后，对每种失效模式都有讨论及建议。这个结果被制成表格，内容包括相对失效概率，预防性检查避免出现失效起因，以及失效影响的严重性。这个分析结果同样对仪器及系统工程师开发可靠性高的产品非常有用。 关键词（信息检索）
介绍 这个报告描述了2年周期内对超过1000支传感器的观察及测试的结果及结论。在这段时间内，对每一个现场使用之后返回Endevco重新校准或维修的传感器进行性能及稳定性测试，对于返修传感器，分析它的失效机理。大约100支传感器或者说总数的1/10进行了性能衰减及失效原因的分析。在准备这个报告的这段时间内实际发生的所有失效模式都被包含，还包括一些模式，尽管很少发生，对用户使用的目的影响很大，或者从工程的角度判断来说有一点点的机会产生。
这个分析的所有计算的概率都是相对的，也就是说，如果假设一个失效会发生，那么所说的概率就是它将会按着这个假定的方式失效概率。这些也和所需要的观察到的失效等级有关。对现场可靠性使用的高度保守预估已经通过维修及再校准记录评定了。根据传感器类型的数据如表1所示。这些数据不包含大量一直在现场使用而从来没有返回进行校准的传感器。据预估，如果包含所有传感器的数据那么表1中的时间数据至少会翻倍。
已经确立的就是大部分压电传感器的失效是由于传感器的物理损伤造成的次要失效。这些失效可能以各种各样的形式出现，因此，它们位于总的失效影响下面分析对待。讨论包括预防性措施，相对概率以及失效检测。由于失效的影响是用户主要关心的，所有报告中的表格是根据原因列表来安排的。
压电传感器描述 进行调查的传感器原理类型有单端压缩型及剪切型压电加速度计，如图1图画所示。基本上来讲，SEC加速度计是把压电元件安装在一个质量块，按压缩的方式。要测量的加速作用力进一步压缩或释放预载荷，由于晶体的压电效应从而产生一定的电荷量。这个电荷通过晶体表面和外部连接器连接的电极截取下来。剪切型压电加速度计也是类似的工作方式，不过是使用剪切模式。 把质量块取消，改变一点结构使外部的作用力直接传递到晶体就变成了压力敏感的传感器（图2所示）或是力敏感的传感器（图3所示）。这些例子不是所有的传感器类型，只是一些代表性的类型。
分析方法 每个传感器在分析之前，都是经过检查和测试并满足使用的性能规格要求。选择的分析方法使用于每个传感器，通常包含拆开保护外壳，在显微镜下检查压电元件及结构。偶尔，也会使用其它方式比如X-RAY无损检查传感器。观察传感器以及测试它的性能可以确定大部分的可能起因。当出现多个起因存在的情况时，分析一直继续直到减少到只有一个起因为止，或直到大部分的证据显示一个可能性最大的起因。每个失效模式同样在实验室模拟重现。
失效模式 7个影响引起压电传感器97%的失效。这7个影响：横向灵敏度（串扰），电气开路，短路，灵敏度变化，电容变化，频率响应差，以及低电阻。其它各式各样的影响引起余下的3%失效包括：幅值线性度，丢失识别信息以及反极性。
横向灵敏度（串扰） 相对概率： 单端压缩型（SEC） 0.23 剪切型（Shear） 0.17 环形（Ring） 0.03 微型（Miniature） 0.01 对大部分应用来说，压电加速度计设计的横向灵敏度水平相对于测试仪器的测量误差来说可以忽略不计的。然而，为了保守分析的目的，任何横向灵敏度超出规格极限值都作为一个失效。压电材料的各向异性是加速度计横向灵敏度的一个主要源头，因为机械误差引起的晶体和基座的非垂直性是比较小的源头。
原因： 1. 变形或擦伤的基座，经常出现在传感器不规则的安装表面或残留在安装表面的污垢，沙子或金属颗粒。这个问题会因为在测试现场试图平整加速度计安装面更加恶化，现场平整表面经常会进一步降低串扰性能而不是提高。这个问题通常可以通过工厂维修解决，除非安装表面损伤严重或内部的结构被损坏。预防性措施就是在使用前检查安装表面。 2. 偶尔是由于过多的横向冲击引起的，这个横向冲击足够影响内部元件位置，以及或内部元件断裂。预防措施就是选择的传感器的冲击极限值大于测试所需要的冲击范围，同时小心操作。
电气开路 相对概率： 单端压缩型（SEC） 0.16 剪切型（Shear） 0.04 环形（Ring） 0.46 微型（Miniature） 0.10 加速度计的电路是从连接器开始，通过内部的导线连接到晶体表面的电极，再连接到晶体，然后通过连接到外壳接地如此也连接到了连接器的外部部分，或是绝缘模式，它是通过和正信号类似的电路。理论上，开路可以发生在这些的任一元件或连接点。实际上，晶体元件的损坏几乎总是开路的源头。
原因： 1.过大冲击引起的晶体损坏。晶体和芯片完全分离（极端的持续冲击）和裂开的损坏程度是不一样的。不是完全分离的损坏通常表现为灵敏度减少以及或电容减少，而不是完全的电路开路。 2. 内部的导线断裂，通常也是过大的冲击造成的。如果这种有缺陷的传感器流到测试现场，那么导线断裂也可能是连接器和导线或导线和电极的焊接缺陷造成的。导线材料疲劳是另外一个理论上的可能性，然而，一个设计合理的传感器不应该出现这种问题。知识渊博的设计下通常是，最大等级振动下典型的导线应力小于材料所能承受极限值的1%。 3. 连接器损坏，很明显通常是跌落或粗心使用扳手安装或拆卸加速度计造成的。推荐使用适用于Endevco所有加速度计的塑胶扳手套筒，不过普通的机械开口的扳手也可以小心使用。
短路 相对概率： 单端压缩型（SEC） 0.16 剪切型（Shear） 0.15 环形（Ring） 0.06 微型（Miniature） 0.29 除了电气绝缘的型号之外，传感器的整个外壳就是一个潜在的接地点；因此，外壳和传感器晶体元件的正信号那部分的元件的任何接触都会造成短路。
原因： 1.过大冲击是造成传感器短路的普遍原因。它会造成预载荷释放或超出晶体元件的库仑摩擦，这样电极或沿着支撑杆滑动或旋转，使导线和外壳短接。 2.过去发现把传感器外壳盖子安装在基座的过程产生的拉伸毛刺造成了短路。幸运的是这个不是很常见，但是需要合理的设计来正面地避免这个问题。 3.使用太长的安装螺钉造成内部变形或破裂。参考诱发故障的讨论。不要把螺钉一直拧到加速度计凹孔底部。 4. 在焊接外壳盖子的过程中，过大的电流造成焊接的金属飞溅等外部颗粒造成断断续续的短路。破坏性分解传感器是仅有的正面检测方法，因此为了避免出现这个问题，需要拒绝接受使用差的焊接技巧的加速度计，预防措施就是可控的焊接工艺。
灵敏度变化 电容变化 相对概率： 单端压缩型（SEC） 0.19 剪切型（Shear） 0.43 环形（Ring） 0.31 微型（Miniature） 0.41 这两个失效模式一起分析不是因为它们必须一起出现，而是因为这个两个变化的起因大体是一样的。压电传感器的电容是晶体材料电解常数和几何结构的函数，内部导线和连接器的的影响非常小，可以完全忽略不计。另一方面，灵敏度也是晶体材料属性和几何结构的函数，此外它也是振动质量块的函数，同时和预载荷也有以小部分相关。因此，晶体和几何结构的变化将会影响电容和灵敏度。预载荷的变化只会影响灵敏度，而不会影响电容值。
原因： 1.感应轴方向过大的冲击造成晶体损坏。“电气开路”这一节有全面的描述。 2.横向过大的冲击造成支撑住延伸导致预载荷被释放。 3. 安装时过大的扭矩或其它大应力造成外壳应变。 4.因为晶体材料或晶体表面不稳定造成性能退化。除了少数几个天然的压电材料，因为性能的限制现在已经不是很普遍，其它加速度计使用的晶体材料必须极化产生一个方向主导，有助于压电效应。如果晶体材料处于不稳定的边缘，在使用一段时间或温度循环后会出现去极化，灵敏度就会相应地减小。类似地，由于振动或温度循环引入的应力会影响天然晶体材料的灵敏度。这些应力会造成预载荷一点轻微的变化，比较明显的变化出现在晶体和电极的连接点，从而造成灵敏度和电容值变化。
频率响应 相对概率： 单端压缩型（SEC） 0.20 剪切型（Shear） 0.19 环形（Ring） 0.12 微型（Miniature） 0.13 传感器的可工作振动频率极限值是由它的共振频率控制。通常来讲，测试频率超过1/5的共振频率很容易增加显著的误差。这个固有的限制通常来说频率还是足够大，对于后面的仪器没有问题。然而，如果任何原因造成出现低共振频率出现，那么在可工作频率范围内也会出现测试误差。
原因： 1.由于过大的冲击造成晶体损坏从而导致共振频率减小。“电气开路”这一节有全面的描述。
2.基座损坏，导致传感器不能很好地和安装表面接触。由于加速度计的工作特性是和传感器本身一样重要的传感器及安装表面之间连接属性的函数，任何测试过程中不利连接的因素比如损坏或使安装表面变形都会对降低传感器共振频率产生一定的影响。
3. 由于使用太长的安装螺钉造成的基座变形或晶体裂纹。参考诱发故障的全面讨论。
4.内部部件的共振，比如内部导线。这个不是设计疏忽就是制造错误，预防措施就是合理的设计以及可控的制造过程。外部的导线或导线连接器的共振在某些特定频率点的输出也会产生明显的误差。
电阻 相对概率： 单端压缩型（SEC） 0.05 剪切型（Shear） 0 环形（Ring） 0.03 微型（Miniature） 0.04 压电材料输出的能量是相当小的。不过，它还是一个可以利用的能量水平，因为它是用来驱动一个非常高的阻抗设备。如果它的输入阻抗明显降低，无论是传感器内部或外部的低电阻路径造成，这个能量输出都会短接到低电阻路径。对于通常的压电材料输出来说，低电阻路径是指负载上的任何小于500M ohm的分流电阻。典型的传感器电阻在常温下大于20G ohm。
原因： 1.当在高湿度环境下或其它可导大气中工作时，连接器没有密封。尽管有很多气密密封的传感器可供使用，在高湿度条件下建议使用这些传感器，在安装的时候也必须密封好外部的传感器和连接器接合部分。某些带集成电缆的传感器消除了传感器接口处的密封问题，但是它没有消除，只是把需要密封的位置改变了。
2. 绝缘型传感器的绝缘玻璃或陶瓷破裂。即使是表面上的裂纹也会造成低电阻路径。这些可能是由于操作时损坏或过高的温度。
3. 气密性密封泄漏（很少出现）。传感器本体不完美的密封，可能是外壳焊接或是连接器密封，都会使湿气进入传感器内部造成低电阻。这种情况最好的改进办法就是预防。好的制造流程要求在生产流程中100%进行泄漏测试。
其它各式各样的影响 传感器另外很小一部分的失效模式没有在上面列出。它们的形式种类太多，没有一种失效模式占到所有经历的失效中的1%。
幅值线性度：是由设计及结构控制，它传感器的使用g值范围内偏差很小。幸运的是，线性度的变化总是伴随着上面详细介绍的一个或多个参数不正常的情况出现。原因：和在上面“频率响应”列出的原因一样。
识别：传感器丢失了雕刻的识别盖子或损坏了盖子导致雕刻的内容字迹模糊。尽管通常不会造成任何后果，如果两个或多个类似的传感器同时出现不能识别，那么情况就会变的比较糟糕。通常通过灵敏度校准或简单的电容测试，同时和原始的校准报告比较可以识别传感器。如果识别标识和校准报告都丢失了，那么只有寄回工厂重新校准来解决这个问题（重新校准时传感器的基本型号可以追溯到系列号）。
反极性：这是很少出现的缺陷，而不是一种失效，是由制造错误造成的。加速度计通常被定义了在正方向的加速度下产生一个正极的电信号（正方向加速度定义在从装面并朝上的指向方向），元件反向组装或导线接反造成极性是错误的，这是有可能的。幸运的是，这种错误很少出现而且通常不会带来什么后果。当传感器被用来非周期或冲击测量时，它可能会带来严重性影响。检测传感器的极性是否正确，可以通过和已经知道极性的传感器比较或在已知振动输入下比较输出是否正确。反向的相位信号在通过其他测试设备比如放大器时当然也必须考虑。
诱发失效模式 三种日常的恶习造成压电传感器的损坏：跌落，扳手使用不当以及在未知冲击水平下测试。由于这些原因造成的损坏可能从外面看不出很明显，这种影响首先被发现的就是在它的性能出现不正常的时候。
跌落 传感器跌落会产生一个非常大g值的冲击力。比如，测试数据显示加速度计从3英尺高跌落到乙烯基铺地砖会产生超过5000g的冲击力。加速度传感器生硬地跌落到硬工作台或桌面上将产生类似的冲击力。通常明显的外壳损坏指明了传感器有问题。当然其它时候，外部没有明显的损坏痕迹同样会出现开路，短路，灵敏度、电容值或串扰值变化太大，或者是频率响应变差。
扳手使用不当 压电传感器经常性使用粘接剂定位安装。这是一个推荐的安装方式，然而，在拆卸传感器时使用扳手或螺丝刀敲击传感器无疑是不推荐的。
在未知冲击水平下测试 尽管Endevco加速度计在定义冲击极限值时是非常保守的，当时它们在超过冲击值等级的冲击下也是会被损坏的。如果测试g值有任何疑问，通常使用针对冲击运动测量的加速度计进行首次测试，这个非常有必要。
不合适的螺钉安装 使用螺纹部分比传感器安装孔更长的安装螺钉会是安装孔内测基座面变形。由于这个孔内的基座面就在压电传感器晶体元件的正反面，这个太长安装螺钉同样会造成所有因为过大冲击产生的损坏引起的传感器失效模式。设计合理的安装螺钉，主要是通过螺纹的张力来确保加速度计和安装表面完满的接合，而不是通过螺纹长度的吻合来保证。一个很好的习惯就是只使用厂家推荐的安装螺钉。
螺纹错扣或过大扭力 连接器和基座都有可能因为这种方式损坏，而且经常出现。可以使用扭力扳手来避免基座的过大扭力这个问题，或者是使用比较短的扳手可以最小化扭力。只有小心操作来防止出现螺纹错扣。
过热（很少出现） 尽管“双晶”的天然石英材料和一些压电材料的低居里温度带来的温度极限值，通过开发一些超级人工制造的压电材料已经完全克服，但温度极限仍能存在。高温传感器的工作温度可以高达750F。
用户擅自修改传感器 偶尔返回维修的传感器因为某些特殊的应用，在外壳上已经被钻了一些孔，或者基座按某种方式机械加工过。由于这些加工引起的g冲击值很容易就超过了传感器的冲击极限值，而且传感器的性能直接取决于机械完整性，这样的试图加工总是造成性能降低或传感器完全失效。厂家会提供某些专用的安装方式。在下订单时应该选定而不是在购买之后试图修改。
总结 压电传感器具有很高的固有可靠性。对不同结构类型的压电传感器的失效前使用平均时间，很保守的估计是2~10年。现场使用中实际碰到的失效模式包括了很多起因；针对每种起因都有推荐检测及预防性措施。正常小心操作及使用情况下，目视检查及定期校准检查可以检测出传感器性能的降低或失效。为了最大的可靠性，必须遵循制造商高规定的工作环境，同时测试部门全部人员都应该熟悉传感器的操作特性。 |
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