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。 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13.18压电式加速度计

(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型

保证幅值误差低于1dB （即卩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（40C 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

加速度计，上限频率若取

图13.19压电式加速度计的幅频特性曲线

为共振频率的1/3，便可

加速度计的使用上限频 率取决于幅频曲线中的 般小阻尼（z<=0.1）的 0.0

10 100 1000 1000 10000

共振频率图（图

13.20图13.20加速度计的固定方法

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。