压电式加速度传感器的使用
压电式传感器的应用
F
石石石石
上上
绝绝绝
压电
基基
图1 压力式单向测力传感器结构图
压电式传感器的应用 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为 0.1~0.5mm， 外力作用使它产生弹性变形 ， 将力传 mm ， 外力作用使它产生弹性变形， 递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向 xy切型 实现力—电转换。 压电效应， 压电效应， 通过d11实现力—电转换。
压电陶瓷圆环 铝头
压电式传感器的应用 当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的 当一定频率的声频信号加在换能器上时， 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形， 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器 即将声频信号转换成了交变电信号。 就是声频信号接收器。 就是声频信号接收器。 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围， 其发射或接收的声频信号即为超声波， 其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器 称为压电超声换能器 称为压电超声换能器。 压电超声换能器。
信号发生器 游标卡尺 图5 超声速测量实验装置
压电式传感器的应用 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端 面时，压电陶瓷片将产生机械振动， 面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声 波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 所以，换能器 是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器 2时，空 发出的声波信号经过空气传播到达换能器S 发出的声波信号经过空气传播到达换能器 气振动产生的压力作用在S 气振动产生的压力作用在 2的压电陶瓷片上使之出现 充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 所以，换能器 是声频信号接收器。 所以，换能器S2是声频信号接收器。
压电式加速度传感器
摘要现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。
所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。
它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题。
而动态测试中振动和冲击的精确测量又显得尤其重要。
振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器。
世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。
由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。
压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。
但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。
如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。
因此，与之配套的测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。
目前最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，它能得到与输入电荷成比例的电压输出。
它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。
这对使用者来说非常方便。
但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些因素都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。
本文针对上述情况，对传感器的测量电路做了深入的研究工作，分析了各种测量电路的特点，提出采用一种集成芯片来取代大量分离元件实现电荷转换电路的设想，通过实验验证本设计的可行性和可靠性，对存在的干扰信号做了细致的理论分析，并采取相关办法进行解决，最后和标准电荷放大器的性能进行对比。
实验结果表明本设计是可行的。
关键词:压电加速度传感器测量电路电荷放大器 TLO8AbstractModern industrial and automation of the production process, non-electric physical measurement and control technology will involve a large number of Dynamic test. The so-called dynamic testing means to determine the amount of the instantaneous value and its value varies with time is measured for the continuous measurement of the process variable. It is characterized by dynamic signal, the test system Dynamic characteristics. Dynamic test accurate measurement of vibration and shock is particularly important. Vibration and Chong Chance measured core is a sensor for shock and vibration signal acquisition, the most common is to use a piezoelectric accelerometer Sensors. The world as a value transfer standards high and medium frequency reference standard acceleration sensor Piezoelectric acceleration sensor. Thus, the excellent quality of the piezoelectric acceleration sensor accuracy, long Time stability is something unique to offer. The piezoelectric acceleration sensor can be regarded as a generating High internal resistance of the charge generating components. However, this very small amount of electric charge, and not use the measuring circuit to be measured, Usually the input impedance of the measuring circuit are always smaller, when the charge on the piezoelectric sheet by the measurement circuit Is input resistor leak rapidly introduce measurement errors affecting the measurement results. If the piezoelectric acceleration sensor is not The ancillary measurement circuit used in conjunction with a wide range of applications of piezoelectric accelerometer would be Very large limitations. Therefore, the the accompanying measurement circuit and its hardware implementation is very important.Currently, the most commonly used piezoelectric acceleration sensor measuring circuit is a charge amplifier can be obtained input power Charge proportional to the voltage output. One of its features is to makethe sensitivity of the sensor and cable regardless of the length of the electrical The cable can be up to several kilometers, while in the vicinity of the object to be measured, only a small sensor. This user is very Convenient. But now the charge amplifier circuit is more complex, higher than the price of the machine, the price is not very satisfactory, these factors have a serious impact on the widespread use of the piezoelectric acceleration sensor, and so develop a higher bid, practical charge amplifier is very necessary. For the above, the sensor The measuring circuit to do a thorough research work, the analysis of the characteristics of the various measurement circuit is proposed to adopt a set Into the chip to replace a large number of separate components to achieve the charge conversion circuit is envisaged that the present design can be verified by experiment Feasibility and reliability, a detailed theoretical analysis of the existence of the interference signal, and take approach solutionSummary, the final performance of the amplifier and the standard charge of contrast. The experimental results indicate that the present design is feasible.Key words:Piezoelectric acceleration sensor measuring circuit charge amplifier TLO8图表清单图1-1 测试系统的组成------------------------- 图1-2 压电加速度传感器动态测量系统----------- 图2-1 电桥电路-------------------------------- 图2-2 四个桥臂同时工作的直流电桥------------- 图2-3 两个相邻臂工作的电桥---------------图2-4 两个相对臂工作的电桥------------------ 图2-5 变压器式电桥电路图2-6 紧祸合电感臂电桥图2-7 紧祸合电感臂四端网络和T型网路图2-8 紧祸合电感臂等效电路图2-9 电容式传感器的等效电路图2-10 双T二极管交流电桥图2-11 双T二极管电桥等效电路图2-12 运算放大器式电路图2-13 调频一鉴频电路原理图图3-1 晶体的压电效应图3-2 压电加速度传感器原理图图3-3 作用于压电元件两边的力图3-4 压电加速度传感器的等效电路图3-5 压电加速度传感器测试系统等效电路图3-6 压电加速度传感器简化电路图3-7 简化后的压电加速度传感器电压等效电路图3-8 电荷放大器示意图图4-1 传感器与电荷放大器连接的等效电路图图4-2 电荷放大器电压源实际等效测量电路图4-3 电荷放大器等效电路图图4-4 输入电缆影响的等效电路图4-5 电荷放大器框图图4-6 电荷转换部分电路图4-7 干扰源等效电路图图4-8 适调放大电路原理图4-9 电荷转换电路及适调放大电路图4-10 有源滤波电路原理图图4-11 无源滤波器原理图图4-12 有源滤波器电流回路图图4-13 高通滤波和同相放大电路原理图图4-14 过载指示电路原理图图4-15 过载电路输出特性图4-16 稳压电源电路图4-17 本电荷放大器的主要电路图4-18 ICL7135和ICM7212的接口电路图图5-1 实验装置框图图5-2 实验波形和标准电荷放大器输出波形图5-3 有工频干扰下的信号频谱图5-4 标准电荷放大器TS5865的信号频谱图5-5 屏蔽工频干扰后的信号频谱图5-6 未加低通滤波时本设计的信号频谱图5-7 标准电荷放大器低通上限截止频率为lOK Hz时的信号频谱图5-8 加了1K Hz有源低通滤波器后本设计的信号频谱图5-9 标准电荷放大器低通上限截止频率为1KHz时的信号频谱图5-10 都有1KHz低通滤波的两路信号波形图5-11 标准电荷放大器的直流分量分析图5-12 本设计未加高通滤波器时信号图5-13 本设计加高通滤波器后的信号表1 在不同加速度下本设计和TS5865的电压值比较表2 在不同频率下本设计和标准电荷放大器的灵敏度比值1 前言1. 1 压电加速度传感器在动态测试中的意义随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。
压电式压力传感器原理及应用
压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。
是一种自发电式和机电转换式传感器。
它的敏感元件由压电材料制成。
压电材料受力后表面产生电荷。
此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
压电加速度传感器原理
压电加速度传感器原理压电加速度传感器是一种利用压电效应来测量加速度的传感器。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到外力作用时，会产生电荷分布不均匀的现象，从而产生电压。
压电传感器利用这一效应来测量加速度，具有灵敏度高、频率响应广、体积小、重量轻等优点，广泛应用于汽车、航空航天、工业生产等领域。
压电加速度传感器的工作原理是利用压电材料的压电效应来感知外界的加速度变化。
压电材料在受到外力作用时会产生电荷分布不均匀的现象，从而产生电压信号。
传感器中包含压电材料的敏感部分，当受到加速度作用时，压电材料产生电荷分布不均匀的变化，从而产生电压信号。
通过测量这一电压信号的变化，就可以得到加速度的大小。
压电材料通常是一些晶体或陶瓷材料，比如氧化锆、铅钛酸锆、硼酸锂等。
这些材料有一个共同的特点，就是在受到外力作用时会产生电荷分布不均匀的现象，从而产生电压信号。
这种压电效应能够使得压电加速度传感器对加速度变化产生很高的灵敏度，同时具有很宽的频率响应范围。
压电加速度传感器通常由压电材料、传感器壳体、导电粘合剂、电缆和接头等部分组成。
压电材料通常被固定在传感器壳体中，然后通过导电粘合剂和电缆连接到外部的电路中。
当受到加速度作用时，压电材料产生电荷分布不均匀的变化，从而产生电压信号，通过电缆和接头传输到外部的电路中进行处理。
压电加速度传感器的灵敏度主要取决于压电材料的性能和传感器的结构设计。
选择合适的压电材料、优化传感器的结构设计、合理布置传感器的电路等都能够提高传感器的灵敏度。
此外，压电加速度传感器还可以通过外部的放大电路和滤波电路来进一步提高其灵敏度和信噪比。
压电加速度传感器在实际应用中具有一定的局限性。
比如，在温度变化较大的环境中，压电材料的性能会发生变化，从而影响传感器的测量精度。
此外，在高加速度、高频率振动等特殊环境中，传感器也会受到一定的限制。
因此，在实际应用中需要根据具体的情况选择合适的压电加速度传感器，并进行必要的补偿和调校。
加速度传感器原理、结构、使用说明、校准和参数解释
根据牛顿第二定律F=m*a；惯性力等于质量快质量乘以加速度。 将以上两个公式进行组合可得到Q=d*m*a；其中，d和m在当加速度传 感器的压电陶瓷材料和质量块的质量确定之后就是固定值。
在传感器的可测范围之内，Q和a呈线性关系，可通过电荷Q来表征加 速度值。
质量块
压电 陶瓷
结构与特征
11、耐冲击性 对于物理冲击的界限值。
12、传感器质量 传感器质量最好小于待测物的十分之一。
压电型振动传感器分类
压电型加速度传感器
电荷输出型 电压输出型
通用型 小型 高灵敏度型 高/低温型 防水绝缘型 3轴加速度
电荷输出型部分型号
电压输出型部分型号
三轴加速度传感器部分型号
防水绝缘加速度传感器部分型号
6、接地噪音 如果有两个或两个以上的接地端的时候，那么噪音可能从接地端引入，系统只设一个
接地端或者使用绝缘加速度传感器/绝缘螺栓可消除。 7、热电灵敏度
压电陶瓷和热电传感器用的元件有相同的组成，温度变化会产生电荷，几Hz以下的测 定必须注意。 8、最大使用加速度
压电型加速度传感器的动态范围很宽。最大使用加速度需满足两个条件：1是保证加速 度和输出为线性，2是内藏放大器最大输出电压是否饱和。
与声发射传感器比较 检测低频信号 检测更强的信号 信号具有指向性 非内置放大加速度传感器为电荷输出
压电型加速度传感器原理
压电元件是受到惯性力F后会产生电荷的功能材料，其压电常数的定义如下：
所以，电荷Q=d*F；其中Q为电荷量，d为压电常数，F为受到的力。 压电型加速度传感器的机构如右图所示，压电陶瓷受到的力主要是质
接近螺钉固定的效果 胶带固定：适用于振动频率低振幅小时的一种便利方法 绝缘螺栓固定：绝缘螺栓使加速度传感器和被测物电气
EN060压电式加速度传感器使用说明书
力变形时，其极化面会产生与应力相应的电荷。 则有： Q= d F
其中 Q 为电荷量，d 为压电晶体的压电常数，F 为作用力 我们一般在晶体上加一惯性质量，则根据牛顿第二定律
F=ma 其中 m 为质量，a 为加速度 将此公式带入上式，在晶体的两端即可得到与加速度成正比的电荷 量，这就实现了加速度的测量。 为提高环境性能，国际上大都使用先进的剪切敏感原理，该产品也 使用了剪切原理。 压电敏感件在承受外力时就产生电荷，当压电元件电极表面聚集电荷 时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器 C1——敏感件电容 C2——放大器反馈电容 R——放大器反馈电阻 A——运放的开环增益 为防止传感器在实际现场测量时地回路干扰，我们在其内部对敏感 件及电路进行了隔离悬浮处理，这样，传感器的外壳仅是一个屏蔽外壳 直接接地回路，从结构设计上保证减少地回路影响。 由于二线制负恒电流电压源供电，其输出是一带负直流偏置的交流 动态信号，其直流偏置电压为-10 ~ -12VDC，这样在不感受振动加速度 时传感器亦应有-10 ~ -12VDC 的直流电压(零点输出)，以此为参考点，其 交流输出幅度为±5Vp，频响低端实测可至 0.3Hz，对应灵敏度 500mv/g。
2、 电缆 （一头 5/8-24 两芯屏蔽线 L=3 米，密封整体线、线质、
长度另外特定，可定制铠装接线）。
3、 安装钢螺栓 1/4-28×10 1 只
4、 产品出厂检验合格证
1份
5、 使用说明书
1份
9
10
检查 安装 紧固 接线 模拟、敲击、观察 使用 9、该加速度传感器为计测产品，年灵敏度变化＜1%，在需精确测量时， 应一年检定一次，可选择计量部门或生产厂用比较法进行检定。 10、用户不得自行随意拆卸、更换产品的电气元件。 11，接线示意图
压电式传感器介绍
R(Ca Cc Ci )
相对幅频特性
U im ( ) K1 2 U im () 1 ( )
2
tan ( )
1
(90 70 )
6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）
讨论：
压电传感器不能测量静态物理量(ω=0时，Uim=0)； 当ωτ≥3时，Uim输入与信号频率无关，高频响应特性好； 提高低频响应的办法是增大时间常数，但不能靠输入电容。实际办法：是增大前 置输入回路电阻，所以电压放大器响应差，要求前置电路具有高输入阻抗； 电压放大器的缺点:从传感器电压灵敏度 Ku可见，连接电缆的分布电容 Cc影响传感 器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感。
6．5 压电传感器的应用
晶体
点火器
外形结构
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q dF
d为压电系数
• 在X轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 1为X方向应力 • 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: σ 2为Y方向应力 • 压电系数 d11=d12 为常数
qx d111
q y d12 b 2 a
缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器， 电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆 工作。
6．5 压电传感器的应用 压电式玻璃破碎报警器
6．5 压电传感器的应用 压电式压力传感器
6．5 压电传感器的应用 压电式加速度传感器
6．5 压电传感器的应用
压电元件产品
压电加速度计
振 动 式 液 位 开 关 超声波传感器
压电式传感器及应用解读
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压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
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休息一下！！
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8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。
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压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
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8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
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本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的 极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相 反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质 也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。
压电加速度和电容传感器实验
实验六 压电加速度和电容传感器实验一、压电加速度传感器实验实验目的：了解压电加速度传感器的原理、结构及应用。
实验准备：预习实验仪器和设备：低频振荡器（激振信号）、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电加速度传感器、双踪示波器。
实验原理：质量块在加速度的作用下产生惯性力，惯性力作用于压电传感器则生成电荷。
实验注意事项：1．双平行梁振动时应无碰撞现象，否则将严重影响输出波形。
必要时可松开梁的固定端，小心调整一个位置再试。
2．低频振荡器的幅度应适当，避免失真。
实验内容：（1）观察装于双平行梁上的压电加速度传感器的结构，它主要由压电陶瓷片及惯性质量块组成。
（2）低频振荡器的输出（V0、GND）接双平行梁的激振器Ⅱ。
（3）低频振荡器的输出（V0）接移相器，移相器的输出接相敏检波器的控制端5（AC）。
（4）将压电加速度传感器的输出接到电荷放大器的输入端，引线要尽量地短，尽可能用屏蔽线。
然后将电荷放大器的输出接到相敏检波器，通过低通滤波接至电压表的输入端，同时在电荷放大器的输出端用示波器观察输出波形（如图14所示）。
（5）卸去测微头。
（6）开启电源，观察双平行梁是否振动，如无，检查低频振荡器的输出是否正确接到激振器Ⅱ上，适当调节低频振荡器的幅度，不宜过大。
（7）用示波器的观察电荷放大器的输出波形和电压表的读数（需要按前面的方法调移相器）。
（8）改变频率，观察输出波形的变化和电压表的读数。
（9）用手轻击试验台，观察输出波形的变化。
可见敲击时输出波形会产生 ，试解释原因。
二、电容传感器实验实验目的：了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
实验准备：预习实验仪器和设备：电容传感器、电容变换器、差动放大器、F/V表、低通滤波器、激振器、示波器。
实验内容：（1）差动放大器调零，按图14接线。
（2）差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表打到2V档，调节测微头使输出为零。
(3)旋动测微头，每次位移0.5mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器振动传感器加速度非接触型速度位移压电式（几Hz –几10kHz ）电动式（DC –300Hz ）应变式（DC –几kHz ）半导体式（DC –1kHz ）电动式（几Hz –几kHz ）应变式（DC –几10Hz ）耐压：6kg/cm2(0.59MPa)外形尺寸（mm）9HEXx10.5Hφ10.0x5.5Hφ6.5x4.2Hφ3.6x3.3Hφ3.5x2.5H尺寸（mm）（不含接头）2.7g2.3g0.8g0.2g0.2g重量（大约）钛钛钛钛钛外壳材料微小型接头（M3 螺纹）微小型接头（M3 螺纹）微小型接头（M3 螺纹）小型接头（10-32 UNF螺纹）小型接头（10-32 UNF螺纹）接头选件选件选件3m3m电缆外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地接地200,000100,000100,00050,000100,000抗冲击能力（峰值）（m/s2 ）±100,000±10,000±10,000±10,000±100,000使用峰值（m/s2 ）60kHz35kHz40kHz60kHz60kHz共振频率（大约）fc~30,000Hzfc~15,000Hzfc~18,000Hzfc~20,000Hzfc~20,000Hz频率响应（+/-3dB）-20 ~ 80℃-50 ~ 160℃-50 ~ 160℃-50 ~ 160℃-50 ~ 160℃使用温度1,000±20%700±20%640±20%580±20%580±20%电容（pF）5%5%5%5%5%横向灵敏度（最大值）0.3±20%0.35±20%0.17±20%0.0459±15%0.035±20%灵敏度（pC/m/s2）601613612611W611608T:上部接头外形尺寸（mm）8Wx5.5Hx7D17Wx7Hx9D14HEXx32H14HEXx25H14HEXx30H(608)14HEXx25H(608T)尺寸（mm ）（不含接头）1.2g 3.2g 43g 23g 29g (608)25g (608T)重量（大约）钛钛不锈钢SUS303不锈钢SUS303不锈钢SUS303外壳材料小型接头（10-32 UNF 螺纹）微小型接头（M3 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）接头3m 选件选件选件选件电缆容器接地容器接地容器接地容器接地容器接地接地50,00020,00020,00010,00032,000抗冲击能力（峰值）（m/s 2 ）±25,000±10,000±10,000±5,000±16,000使用峰值（m/s 2 ）60kHz 40kHz 20kHz 25kHz 30kHz 共振频率（大约）fc ~20,000Hz fc ~20,000Hz fc ~8,000Hz fc ~11,000Hz fc ~12,000Hz 频率响应（+/-3dB ）-50 ~ 160℃-20 ~ 160℃-20 ~ 140℃-20 ~ 120℃-20 ~ 140℃使用温度560±20%700±20%1,000±20%1,000±20%1,000±20%电容（pF ）5%5%5%5%5%横向灵敏度（最大值）0.04±20%0.16±20%10±10%5±20%5±10%灵敏度（pC/m/s 2）611ZS 612ZS 607608LF 608/608T三轴三轴1k Ω1kΩ300Ω300Ω100Ω或小于输出抗阻（大约）外形尺寸（mm ）14.2Wx14.2Hx14.2D14.2Wx14.2Hx14.2D17HEXx34H14HEXx28Hφ7.9x11.9H尺寸（mm ）（不含接头）11.1g 11.1g 46g 21g 2g 重量（大约）钛钛不锈钢SUS303不锈钢SUS303钛外壳材料DR-4S-4DR-4S-4小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）接头选件选件选件选件φ1.0低噪声电缆60cm 电缆外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地接地30,00030,00010,00010,000100,000抗冲击能力（峰值）（m/s 2 ）±4,000±400±150±1,500±3,600使用峰值（m/s 2 ）35kHz 35kHz 30kHz 40kHz 60kHz 共振频率（大约） 1 ~8,000Hz 1 ~8,000Hz 3 ~14,000Hz 3 ~23,000Hz 2 ~20,000Hz 频率响应（+/-3dB ）-50 ~ 110℃-50 ~ 110℃-40 ~ 110℃-40 ~ 110℃-50 ~ 105℃使用温度40μVrms 40μVrms 20μVrms 20μVrms 20μVrms 本底噪声（最大值）5%5%5%5%5%横向灵敏度（最大值）1±10%10±10%10±15%1.0±15%1.0±10%灵敏度（pC/m/s 2）7240Z/7240ZT 724Z/724ZT 707708702FB/ST三轴724ZT: TEDS 功能FB: 平底型ST: 螺栓型三轴7240ZT: TEDS 功能fc~20,0000.0425,000611ZSfc~20,0000.1610,000切变612ZS小型，三轴fc~8,0001010,000压缩607高灵敏度fc~11,00055,000608LF低频率fc~12,000516,000608/608T通用型fc~30,0000.3100,000601小型fc~15,0000.3510,000613小型fc~18,0000.1710,000612小型fc~20,0000.045910,000611W防水型fc~20,0000.035100,000切变611小型频率响应(Hz)（+/-3dB）灵敏度（pC/m/s2）使用峰值+/-（m/s2）传感构造型号特性1 ~8,00013,6007240ZT三轴,TEDS1 ~8,00014,0007240Z三轴1 ~8,00010360724ZT三轴,TEDS21 ~24V1 ~8,00010400切变724Z三轴3 ~14,00010150707高灵敏度3 ~23,00011,500708通用型15 ~25V0.5 ~5mA2 ~20,00013,600压缩702FB/ST小型电压恒定电流频率响应(Hz)（+/-3dB）灵敏度（pC/m/s2）使用峰值+/-（m/s2）传感构造型号特性插头转换器（10-32UNF ）-BNCCA-034延长电缆连接器（延长电缆用）CA-033小型插头（10-32UNF 螺纹）CN-032小型插座（10-32UNF 螺纹）CN-031外形说明型号A=φ24, B=14,C=M6(P=1)x4磁铁MG-707A=4, B=M6绝缘双头螺栓（260℃）IS-707HA=φ17, B=M6(P=1), C=21绝缘双头螺栓（120℃）IS-707A=φ11, B=M6(P=1), C=14绝缘双头螺栓（120℃）IS-708外形外形尺寸（mm ）说明型号3.3m3.3m 3m 1.5m 订货指定长度3m 3m 1.5m 1.5m 订货指定长度订货指定长度长度两端小型接头CL-207两端小型接头CL-206一端小型接头，一端BNC 接头CL-206B 一端小型接头，一端BNC 接头CL-207B 601, 612, 613, 612ZS,611ZS 一端小型接头，一端微小型接头CL-600一端小型接头，一端微小型接头CL-601一端小型接头，一端微小型接头CL-602一端DP-4S-1(4针), 一端3个BNC 接头CL-714B724Z/7240Z 系列一端DP-4S-1(4针), 一端3个小型接头CL-714M 一端小型接头，一端BNC 接头CL-200B 608, 608T, 608LF, 708,707两端小型接头CL-200对应压电加速传感器型号连接器型号电荷输出电压输出LX-10/20SA-611600系列低噪声电缆同轴电缆电荷输出型加速度传感器电荷放大器数据记录仪电荷输出电压输出LX-10/20 600系列低噪声电缆同轴电缆电荷输出型加速度传感器转换器数据记录仪带AR-LXPAx型电压输出式加速度传感器用输入放大器CC-10电压输出LX-10/20700系列可使用同轴电缆传感器数据记录仪带AR-LXPAx型约440g （不含干电池）重量约48W x 110H x 110D (mm) （不包含突起部）外形尺寸干电池（LR6碱性干电池4个），电荷输入时供电时间约40小时外部电源5V~15V DC, 消费电流约45mA （6V DC, 电荷输入，CAL OFF 时）100V AC （使用选件AC-DC ）电源温度：0~+40℃湿度：20~80%RH （非结露）使用环境矩形波200Hz ±20Hz, 2Vp-p ±5% (范围“H”, “M”) 矩形波200Hz ±20Hz, 20Vp-p ±5% (范围“L”) 校准信号输入换算0.02pC (mV)rms 以下，输入容量1000pF,灵敏度设定1pC/m/ s 2 （mV/m/s 2）,输出范围定1m/ s 2/ FS, LPF Pass 噪声LPF (-3dB): 1kHz, 10kHz-12dB/oct HPF (-3dB): 5Hz -6dB/oct 滤波器0.2Hz ~30kHz, +0.5dB/-3dB (范围“H”, “M”) 0.2Hz ~10kHz, +0.5dB/-3dB (范围“L”)频率特性±1.5%以内（条件200Hz,输出负荷10kΩ以上）灵敏度精度±10V/10mA负荷阻抗2kΩ以上最大输出±1V 输出阻抗1Ω以下输出额定值BNC输出接头0.03 ~ 999pC/m/s 2 （mV/m/s 2）灵敏度设定范围1，10，100倍3段切换灵敏度切换3位数字开关灵敏度设定0.5mA, 4mA （±20%），电压24VDC 恒定电流电荷：10000pC电压：±10V最大输入值电荷，电压输入开关切换式输入切换压电式加速度传感器（电荷输出型及电压输出型）连接传感器BNC （电荷输入，电压输入兼用）输入接头。
加速度传感器的正确使用方法
但是， ap：安装加速度传感器时样品的加速度 fp：安装加速度传感器时样品的共振频率 a0：不安装加速度传感器时样品的加速度 f0：不安装加速度传感器时样品的共振频率 m0：样品的有效质量（mg） mp：传感器的有效质量（mg）
7、 振动物体质量轻的情况 在测量系统有 2个以上接地点时就会产生接地回路中的交流声。这是由于各个接地点之间
感器基座的底面是精加工的,而且中心位置有固定传感器用的螺丝孔。理想状态是将振动体表 面尽可能的打磨平滑，并在接触面涂抹上硅油或润滑油，用螺丝钳固定牢固。固定状态的好坏 直接影响测量效果，特别是在高频特性中影响比较大。
理想固定状态
螺栓倾斜
螺栓浅 (螺丝长)
图 4 加速度传感器的安装方法
接触面混有铁 粉、砂砾等
（c）挠曲型 与双压电晶片的原理相同，利用了压电体的横向效果。压电体薄板粘接在金属板上，
使其弯曲后对压电体施加横向的应力，并根据弯曲程度按比例输出。
图 3 挠曲型 根据用途、规格，构造可以分为中心固定、两端固定、一端固定三种方式。挠曲型的共振频 率并不是很高，但在低频域中具有高灵敏度，因此适用于地震地基振动、水坝发电站等大型 建筑物的微型振动测量。 下面列举出各个类型的优势，请根据应用需求来进行选择。
<零点漂移造成的误差> 半正弦波
单个矩形波
表(1)
<振铃造成的误差> 半正弦波以及半三角波 但将加速度传感器的衰减比定为
表(2) 。
表(3)
6、 振动物体质量轻的情况 压电型加速度传感器从原理上属于接触型振动传感器。因此进行振动测量时通常会把传感
器的动态质量计算进去。传感器的质量最多数 10gr，因此对于一般测量没有任何影响。但是 在测量质量比较轻的振动体时，加上传感器重量的话就会影响振动体的振动模式。特别是测量 轻薄的振动板的共振特性时，加了传感器就会造成共振频率下降。这种情况下，就需要使用小型 轻量的传感器了。作为一般的解决方案传感器的自重要保证在被测振动物体质量的1/10 以下。
压电式传感器总结
.
U srd33F m sint1j
jR R (C aC cC i)
因此前置放大器的输入电压幅值Usm为：
Usrm
d33FmR 12R2(CaCcCi)2
定义压电传感器输出电压灵敏度为：
K uU F sm rm1 精选p2 pR t 2 d (3 C 3aR C cC i)2
28
当 2R 2(C aC cC i)2 1，可得
精选ppt
U
a
Q Ca
精选ppt
21
压电元件的等效电路 若考虑负载，则等效电路如下：
精选ppt
22
假设一恒定力F作用于压电元件，产生电量Q，则输出电压：
ua
Q C Ca
Q Cc Ci
Ø 压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的电阻很
大(压电元件漏电阻Ra一般在1013~1014Ω以上)，因此输出信号很
(d)面切变形(FS)；精选(ep)pt剪切变形(TS)
5
电致伸缩效应：即电介质在电场的作用下，由于感应极化 作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无 关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应 对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质， 不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。
具有较高的压电系数(d33=200~500×10-12C/N)和居里点 (300℃以上)，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小， 在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能 的PZT材料。是传感器中经常采用的一种压电材料。
精选ppt
19
３. 高分子聚合物压电薄膜 聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚
（一）压电材料的主要特性
压电传感器
d 33 因为ωR>>1，故上式可以近似为 K u Ca Cc Ci
可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下 降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内 阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也 越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc 将改变，必须重新校正灵敏度值。
四、压电式传感器的应用 （一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电式传感器在自来水管道测 漏中的应用
（一） 压电式加速度传感器
其结构一般有纵向效应型、横向效 3 2 应型和剪切效应型三种。纵向效应 是最常见的,如图。压电陶瓷4和质 1 量块2为环型，通过螺母3对质量块 4 运 预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。动 5 方 测量时将传感器基座 5 与被测对象 向 牢牢地紧固在一起。输出信号由电 纵向效应型加速度 传感器的截面图 极1引出。 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量 较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受 到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性 力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 q＝d33F＝d33ma
RF
当1/ RF = ω CF时 U q /(C 2 ) SC F
可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应 的下限截止频率为 1 fL 2RF C F
1 USC与q间的相位误差 90 arctan RF CF
可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和 截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF,其中CF的大 小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作 频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当 CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF＞109Ω。
北京智腾永逸仪器设备 YD系列（IEPE）电压输出压电加速度传感器 说明书
Sv = SQ Ca
式中：SQ——电荷灵敏度 Ca——加速度传感器电容
通常加速度传感器的灵敏度是在振动台上校准和标定。
三、主要技术指标（见下表）
Ca Ra
图二
型号
灵敏度 频率范围 安装谐振 量程ms2 分辨率 重量 V/ms2 （Hz）（+10%） 点（Hz） （+10%） （ms2） （g）
度质量—弹簧系统(图一c)。
质量块
质量块
M
压电晶体
压电晶体
电荷转换电路
电荷转换电路
K
c
图一
该质量弹簧系统若被正弦振动所激励，其敏感质量与基座的相对位移为X、物体振动位移 为Y，则系统的运动方程为：
M
d 2 (X
+Y)
+C
dX
+ KX
=0
(1)
dt 2
dt
式中：M——敏感质量
C——阻尼系数
K——弹性系数
六方 30×30×27
六方 30×30×27
六方 30×30×27
六方 30×30×33
六方 24×24×26
六方 24×24×32
六方 18×18×23
六方 18×18×29
六方
输出方式 侧端L5输出 侧端L5输出 侧端L5输出 顶端L5输出 侧端L5输出 顶端L5输出 侧端L5输出 顶端L5输出 侧端L5输出
200 500 500 1000 1000 2500 5000 10000 250 25 100 500 20
18×18×23
0.001
70
六方
顶端L5输出
18×18×29
0.002
40
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1a 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1c 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1b 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。
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2）。
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(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型图1 压电式加速度计图2 压电式加速度计的幅频特性曲线值误差低于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。
压电式加速度传感器解读
华东交通大学理工学院论文题目：压电式加速度传感器课程：传感器原理及其应用姓名；吕进专业：通信工程班级： 12 通信2班学号：20120210420243压电式加速度传感器前言目前，国内研制的高冲击压电加速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素的影响，量程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。
现在国内研制的压电传感器样机可测量的最大冲击加速度为 1 OO,OOOg，安装谐振频率约为9.5kHz，线性度为10%，还不能完全满足工程使用的要求。
因此，为了满足高速碰撞测试和常规触发引信用压电加速度传感器的要求，本文研究提高压电加速度传感器的量程和频响的设计技术，这项技术可应用在钻地武器试验和深层钻地弹引信中。
在核武器飞行试验中，均要进行触地测试，了解核弹头碰地的状况，测量其触地加速度，为其触发引信的设计和验证提供依据。
在常规钻地弹、侵彻弹等武器研究中，均需要大量程高频响的加速度传感器进行测量。
目前国内的传感器难以满足要求，现采用国外的传感器(如7270A)，但价格昂贵且对华禁运。
综上所述，本文研究提高压电传感器的量程和频响的设计技术，为改进压电加速度传感器的性能奠定基础，为高速触地用测试传感器和深侵彻引信传感器的研究提供技术参考。
目录前言 (1)摘要 (3)关键词 (3)国内外现状 (3)压电式加速度传感器原理 (4)灵敏度 (8)误差形成因素分析 (9)提高传感器频响的措施 (9)实际应用 (11)总结 (12)参考文献 (12)摘要二十一世纪的高效发展中，信息时代已然来临，掌握信息的重要性日益重要，在人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。
5-4 压电式传感器的应用
当膜片 5 受到压力 P 作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片
上所产生的电荷 q 为
q=d11F=d11SP
式中 F——作用于压电片上的力；
(5-42)
d11——压电系数； P ——压强，P=F/S；
S ——膜片的有效面积。
测压传感器的输入量为压力 P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则 根据灵敏度的定义有：
第五章习题
5.7 .分析压电式加速度计的频率响应特性。若测量电路的总电容 C= 1 000 pF，总电阻 R= 500 MΩ,传感器机械系统固有频率 f0=30 kHz，相对阻尼 系数ξ=0.5，求幅值误差小于 2 %时，其使用的频率范围 。
5.8.用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 pC/g （g为重力加速度，g＝9.8 m/s2），电荷放大器灵敏度为 50 mV/pC，当机 器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为2V。试计算机器的振动加速 度。
1
0
1
0
2 2
2
0
2
（5-35） （5-36）
§5-4 压电式传感器的应用
相频特性
arctan
2
0
压电式加速度传感器(最新整理)
压电式加速度传感器摘要：本文介绍了压电式加速度传感器的结构和工作原理，推导了传感器的数学模型，并分析了测量电路，压电传感器的产生零漂现象的各种原因，并针对这些原因提出相应的解决措施。
关键词：压电式；加速度传感器；零漂1 引言现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。
所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。
它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。
振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。
压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。
压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、体育、制造业、军事、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。
加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、压电式、振弦式、挠性摆式、液浮摆式等类型。
压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。
2工作原理压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是典型的有源传感器。
利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，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。
压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。
压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。
图1 加速度传感器的组成框图支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。
当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。