壓電式加速度傳感器

1、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器（1）壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和安裝壓電式加速度傳感器又稱(chēng)壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來(lái)一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟?/p>

2、前置放大器。經(jīng)過(guò)阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測(cè)電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。目前，制造廠(chǎng)家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的產(chǎn)品，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖1a是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測(cè)試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變

3、形則將直接影響拾振器輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖1c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線(xiàn)性。圖1b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計(jì)，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工

4、作溫度受到限制。(a)中心安裝壓縮型(b)環(huán)形剪切型(c)三角剪切型圖1壓電式加速度計(jì)測(cè)量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g=9.80665ms2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測(cè)振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說(shuō)明書(shū)中標(biāo)出。對(duì)給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來(lái)說(shuō)，加速度計(jì)尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的

5、利弊。壓電晶體加速度計(jì)的橫向靈敏度表示它對(duì)橫向（垂直于加速度計(jì)軸線(xiàn)）振動(dòng)的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計(jì)的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3％。因此，壓電式加速度計(jì)在測(cè)試時(shí)具有明顯的方向性。（3）壓電加速度計(jì)的前置放大器壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導(dǎo)體充電到電壓U=qCa（這里Ca是加速

6、度計(jì)的內(nèi)電容）。要測(cè)定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線(xiàn)、測(cè)量電路和加速度計(jì)本身的電荷泄漏。換句話(huà)講，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以?xún)?nèi)。壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡(jiǎn)單，但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng)測(cè)量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高

7、質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴。從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有“低通”特性，原可測(cè)量極低頻的振動(dòng)。但實(shí)際上由于低頻尤其小振幅振動(dòng)時(shí)，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號(hào)將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測(cè)振動(dòng)速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前大部分壓電式加速度計(jì)在殼體內(nèi)都集成放大器，由它來(lái)完成阻抗變換