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）壓電式加速度計的結構和安裝壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟?/p>

2、前置放大器。經(jīng)過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示儀表或記錄器。目前，制造廠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的結構形式如圖所示。S是彈簧，M是質塊，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。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變

3、形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發(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。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應力。這種結構對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性。圖1b為環(huán)形剪切型，結構簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，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壓電式加速度計測量中往往用標準重力加速度g作單位，1g=9.80665ms2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標出。對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率響應特性之間的

5、利弊。壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計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標出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應小于主靈敏度的3％。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。（3）壓電加速度計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體充電到電壓U=qCa（這里Ca是加速

6、度計的內(nèi)電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內(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。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，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、質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。從壓電式傳感器的力學模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由于低頻尤其小振幅振動時，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。隨著電子技術的發(fā)展，目前大部分壓電式加速度計在殼體內(nèi)都集成放大器，由它來完成阻抗變換