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
岀能量甚微，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。

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，压电元件一
质量块一弹簧系统装在圆
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，有较髙的共 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、髙 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，因此最髙工作温度受到限制。

(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
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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 1/5,则
可保证幅值误差
小于0. 5dB （即6%）,相移
小于3°。

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。

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（409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髙于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7kHzo
保证幅值误差低于ldB （即12%）:若取为共振频率的 图13.20加速度计的固定方法
（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，1萨9.8066511]/£。

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，输入阻抗髙，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。

（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。

信号采集（传感L放大滤波器电路）
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