压电式加速度传感器

压电式加速度传感器

（1）压电式加速度计的结构和安装

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。
(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型
图13.18 压电式加速度计

常用的压电式加速度计的结构形式如图13.18所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图13.18a是中央安 装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图13.18c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图13.18b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变 软，因此最高工作温度受到限制。
图13.19 压电式加速度计的幅频特性曲线

加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图13.19）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见 图13.20。
图13.20 加速度计的固定方法

其中图13.20a采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计（图13.20b），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图13.20c），也可用于低温（40℃以下）的场合。手持探针测振方法（图13.20d）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图13.20e），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图13.20f）或粘接剂（图13.20g）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。

（2）压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和 电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。 加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有 测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。

对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

（3）压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电 到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输 入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。

压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。

从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度 值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位 移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.1～1Hz左右。

随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器 的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用2线制，即用2根电缆给传感器供给 2～10mA的恒流电源，而输出信号也由这2根电缆输出，大大方便了现场的接线。表13.1为某厂家生产的压电式加速度计的参数表。 表13.1 常用压电式加速度计的参数表

型号
量程
灵敏度
分辨率
重量
应用及特点

350B04
5000g
0.5mV/g
0.02g
4.5g
适用于爆破、撞击等

350B21
100000g
0.05mV/g
0.3g
4.4g
适用于爆破、撞击、爆炸分离等

351B03
150g
10mV/g
0.003g
10.5g
可在-196℃的低温环境下工作

352A
5g
1000mV/g
0.00004g
35g
高分辨率型

352C22
500g
10mV/g
0.0015g
0.5g
微型，适用于小型结构

352C65
50g
100mV/g
0.00016g
2g
小型、高灵敏度、高分辨率，各种用途

353B18
500g
10mV/g
0.005g
2g
高频、小型、石英剪切，各种用途

353B33
50g
100mV/g
0.0005g
27g
三角剪切结构，石英通用加速度传感器

353M255
2000g
2.5mV/g
0.04g
17.9g
冲击传感器、内置滤波器，桩基检测

355B03
500g
10mV/g
0.0005g
10g
环型

356B08
50g
100mV/g
0.0002g
20g
轴、结构实验

356A18
5g
1000mV/g
0.00006g
24g
3轴、高灵敏度

356A40
10g
100mV/g
0.0002g
180g/片状
3轴坐垫传感器，汽车实验

356M41
500g
10mV/g
0.001g
4g/方形
3轴、小型，模态、振动、噪声实验

393C
5g
1V/g
0.0001g
1000g
超低频地震传感器，长期稳定性良好

393B31
0.5g
10V/g
0.000001g
635g
超低频地震传感器，高灵敏度

（4）压电式速度传感器

由于上述磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了 压电式速度传感器，即在压电式加速度传感器的基础上，增加了积分电路，实现了速度输出。同样，这种传感器也全部实现了内置，具有替换磁电式速度传感器的趋向。

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。
所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "。一般加速度传感器就是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。
线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A=F/M 我们只需要测量F就可以了。用电磁力去平衡这个力可以测得外力F。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然，中间的信号传输、放大、滤波要通过相应的电路来实现了
加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。是在水平，走下坡，还是别的情况。在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面
灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到得重要因素之一。也就是传感器在正常工作的时候输入信号R于输出信号C的比值，有成线性的也有非线性的。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。灵敏度自然是越高，但是实际上灵敏度越高测量范围就窄；相反，灵敏度低点就能获得比较宽的测量范围。所以在产品选择传感器的时候就要从需要出发，一味地使用高精度传感器往往就意味着更高的成本
抗疲劳性也是压电加速度传感器的重要因素。在有些应用中需要持续长时间使用传感器，这就要求内部部件能够支持长时间的监测。使用高强度、稳定性好的材料器件应该能够很好的解决这一问题
稳定性。在一些特殊场合中运用传感器时就需要特定的传感器，若一般的传感器则会很快毁损。如以前老师课堂上说过的运用于烤鸭的考虑中监测温度湿度的传感器就要经受住长期的油腻、高温、潮湿等。相信，压电加速度也会有类似的严峻的工作环境。这就要求了他很高的稳定性。
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。