压电式加速度传感器

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压电式传感器测加速度的原理

压电式传感器测加速度的原理说起来压电式传感器测加速度的原理，这还真是个有意思的话题。

你别看它听起来挺高深，其实啊，咱要是细究起来，也是能品出几分趣味来的。

话说这压电式传感器啊，它可是个机灵的家伙，工作原理也不复杂，说白了就是利用了某些材料的压电效应。

啥是压电效应呢？就好比说你有个宝贝石头，你拿手一碰它，它就能“哎哟”一声叫出来，还给你变出点电来，虽然这比喻不太贴切，但意思就是这么个意思。

实际上呢，这压电效应说的是某些介质材料，你给它施加压力，它就能产生电荷，这就是压电效应。

咱们这压电式传感器里头啊，装了个压电晶体材料，还压了个质量块上去。

你想啊，这质量块可沉了，压在那晶体上，晶体就得受着。

然后呢，这传感器要是跟着啥振动的东西一起振，那质量块也跟着振，它的加速度和振动体的加速度是一样的。

这时候，质量块受到的压力就等于它的质量乘以加速度，这压力就传递到压电晶体上了。

晶体受到压力，就产生电荷，这电荷的多少，还就和那压力成正比呢。

所以啊，这电荷的多少就能表示加速度的大小了。

我这人啊，就喜欢琢磨这些个东西，有时候琢磨得深了，还真能琢磨出点门道来。

就比如说这压电式传感器吧，它不光是测加速度，还能测振动呢。

你想啊，机械设备振动的时候，它也有加速度啊，所以这压电式传感器就能派上用场了。

不光如此，这压电式传感器还有个小优点，就是它体积小、重量轻、抗力强，还不容易受电磁干扰、温度变化的影响。

你说这多好，简直就是个小能手啊。

我记得有一次，我和几个朋友聊起这压电式传感器来，他们也是一脸的好奇。

有个哥们儿还问我：“你说这压电式传感器测加速度，它准不准啊？”我一听这话，就笑了：“准不准？你试试就知道了。

人家可是利用压电效应，那可是物理原理，能不准吗？”说完这话，我自己也忍不住乐了。

所以啊，这压电式传感器测加速度的原理，说起来就是这么个事儿。

它也不神秘，也不复杂，就是利用了压电效应，把加速度转换成电荷，然后再通过电路转换成咱们能读懂的信号。

压电式加速度传感器的信号输出形式

电荷输出型传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。

实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。

由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。

由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。

北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。

低阻抗电压输出型（IEPE）IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。

压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。

IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。

通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。

IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。

在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。

虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。

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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。

压电型加速度传感器的频率特性

压电加速度传感器的频率特性1、固有共振频率压电型加速度传感器基本上由质量块m、弹性常数k的压电体、空气阻抗等的阻尼器D 以及基座构成的。

图1压电型加速度传感器的弹性质量系现在我们假设没有阻尼器D和外力的情况，如图1（a）此时的共振频率为：m b：基座的质量上式中f n 是弹性质量系（质量块m）的共振频率，用以下公式表示。

图1（b）中，当基座固定在质量无限大的物体上时，mb远大于m，f0约等于fn。

我们将fn 称为不衰减固有共振频率。

接下来我们假设有衰减的情况，实际上自由振动不可能一直进行，一定会受到某些衰减并随时间变弱。

衰减状态由衰减比h的大小决定，分为3种状态。

另外衰减比h 是衰减系数 D比上临界衰减系数Dc，即D/Dc 得出。

图2 衰减自由振动h＜1 时，后续振幅比如下式所示。

由此我们可以得知，包络线会随时间以指数函数减少。

此时将fd 作为共振频率的话，可用以下公式表示。

fd 就称作衰减固有共振频率。

h≥1 时，则fd=0。

变为失去振动性的无周期运动。

从振动测量精度上来看，自由衰减振动需要尽可能快得使其衰减，但衰减比h并不是越大越好。

这一点可从图上记公式中得知。

衰减比h 的大小也受到谐振锐度即Qm 值的影响。

h 越小Qm 就越大，形成尖锐的共振。

其关系由下记公式来表示。

在设计压电型加速度传感器时，会尽可能使h 值小，Qm 值大，形成尖锐共振后，扩大平坦的频率范围。

2、电荷增幅中的低频截止频率上述已经提到，电荷放大器中传感器产生的电荷全部储存在反馈电容 Cf 中。

因此低频特性与输入电路中的时间常数（电缆电容 Cc 、传感器电容 Cd 等）没有关系，而是由反馈电路的时间常数 Cf ・Rf 决定。

即低频截止频率 fc 为：由于一般情况下Rf 会选定10MΩ 以上的高阻抗值，比 Cf 的电感器大很多，因此实际上 fc 的值主要由 Cf 的值来决定。

Cf 值越大 fc 就越小，适合低频的振动测量。

传感器题库及答案

传感器题库及答案压电式传感器一、选择填空题：1、压电式加速度传感器是传感器。

A、结构型B、适于测量直流信号C、适于测量缓变信号D、适于测量动态信号2、沿石英晶体的光轴z的方向施加作用力时，。

A、晶体不产生压电效应B、在晶体的电轴x方向产生电荷C、在晶体的机械轴y 方向产生电荷D、在晶体的光轴z方向产生电荷3、在电介质极化方向施加电场，电介质产生变形的现象称为。

A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应4、天然石英晶体与压电陶瓷比，石英晶体压电常数，压电陶瓷的稳定性。

A、高，差B、高，好C、低，差D、低，好5、沿石英晶体的电轴x的方向施加作用力产生电荷的压电效应称为。

A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应 6、压电式传感器可等效为一个电荷源和一个电容并联，也可等效为一个与电容相串联的电压源。

7、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有电压放大器和电荷放大器两种形式。

二、简答题1、什么是压电效应？纵向压电效应与横向压电效应有什么区别？答：某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；所以纵向压电效应与横向压电效应的主要区别在于施力方向不同，电荷产生方向也不同。

2、压电式传感器为何不能测量静态信号？答：因为压电传感元件是力敏感元件，压电式传感器是利用所测的物体的运动产生的相应的电信号，而静态的不能产生相应的电信号。

所以压电式传感器不能测量静态信号。

13、压电式传感器连接前置放大器的作用是什么？答：前置放大器的作用：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。

EN060压电式加速度传感器使用说明书

3
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

压电式加速度传感器检定规程

压电式加速度传感器检定规程如下：
外观检查：检查传感器的外观是否完好，无破损、裂纹等缺陷。

灵敏度检定：通过施加一定的加速度，测量传感器的输出电压，计算其灵敏度，判断是否符合要求。

频率响应检定：在不同频率下施加加速度，测量传感器的输出电压，绘制频率响应曲线，判断其是否符合要求。

横向灵敏度检定：在传感器敏感轴以外的方向上施加加速度，测量传感器的输出电压，判断其横向灵敏度是否符合要求。

温度影响检定：在不同温度下施加加速度，测量传感器的输出电压，判断其温度影响是否符合要求。

以上是压电式加速度传感器的基本检定规程，具体检定步骤和方法可能因不同的传感器型号和应用场景而有所不同。

加速度传感器

•输出偏压： 8-12VDC
•恒定电流： 2-20mA，典型值：4mA
•输出阻抗：＜150Ω
•激励电压： 18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围： - 40～+120℃
•放电时间常数：≥0.2秒
•壳绝缘电阻：＞ Ω
•安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸：六方17mm、高度24.5或31mm
电荷灵敏度 p C / g
率范围 ( ± 1 0 ％ ) H z
安装谐振点 k H z
横向灵敏度
%
值线性 ( ± 1 0 % ）
g
质量 g m
使用温度范围 ℃
安
装内
螺部用频
纹 m m
型号
结构电荷灵敏度 p C / g
途率范围 ( ± 1 0 ％ ) H
加速度传感器
完整版
综述
加速度传感器在工业生产、科研、航空航天等领域中有着重要的应用。其中按照被测量可以被分为角加速度传感器和线加速度传感器。根据敏感元件分有应变式加速度传感器、压阻式加速度传感器及压电式加速度传感器。而随着科学技术的发展，智能化加速度传感器也已经走进了我们的视野。
一压电式加速度传感器
频率响应特性
►低频响应特性：下限频率一般为-10%左右频响。主要由压电芯片和传感器的基座应变和热释电效应等环境特性决定。应变加速度传感器具有响应静态信号的特性。
►高频响应特性：上限频率一般为10%左右频响。大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上限频率误差为+5%，大约为安装频率的1/5。如果采用适当的校正系数，在更高的频率范围也能够得到可靠的测试数据。

加速度传感器一、定义

加速度传感器一、定义加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。

通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。

传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

二、分类1、压电式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。

压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或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。

2、压阻式基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

3、电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。

电容式加速度传感器/电容式加速度计是比较通用的加速度传感器在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。

电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。

4、伺服式伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。

其工作原理：传感器的振动系统由“m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。

由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。

PS：微机电系统微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

压电式传感器

3．压电元件
用压电材料制造的传感元件称作压电元件。
第一节
压电式传感器的工作原理
4．压电效应机理现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。（1）石英晶体的结构石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角晶系。右图是天然晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。 z 轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致； x 轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； y 轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。
AQ Uo [Ca Cc Ci (1 A)Cf ]
当 A 足够大时，则（1 + A）Cf >>（Ca + Cc + Ci），这样
AQ Q Uo (1 A)Cf Cf
由此可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。
第一节
压电式传感器的工作原理
（2）纵向压电效应从晶体上沿 x y z 轴线切下的一片平行六面体的薄片称为晶体切片。它的六个面分别垂直于光轴、电轴和机械轴。通常把垂直于 x 轴的上下两
个面称为 x 面，把垂直于 y 轴的面称为
y 面。如右图所示。当沿着 x 轴对晶片施加力时，将在 x 面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。
压电式传感器：一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件。应用：它可以测量那些最终可以变换为力的非电物理量，但不能用于静态参数的测量。
第一节压电式传感器的工作原理
一、压电效应
二、压电材料
第三节
压电式传感器的结构与应用
二、压电式加速度传感器

压电式加速度传感器及其应用

微型化与集成化发展趋势
微型化设计
随着微电子技术和微纳加工技术的不断进步，压电式加速度传感器的体积不断缩小，实现了更高的集成度。
集成化技术
将传感器与信号调理电路、微处理器等集成于一体，形成具有自检测、自校准、自诊断等功能的智能传感器模块。
MEMS技术
基于MEMS（微机电系统）技术的压电式加速度传感器具有体积小、重量轻、功耗低等优点，广泛应用于消费电子和汽车电子等领域。
04 压电式加速度传感器性能指标评价方法
灵敏度与分辨率评价
灵敏度
压电式加速度传感器的灵敏度反映了其输出信号与被测加速度之间的比例关系。高灵敏度意味着传感器能够检测到更微小的加速度变化，提高测量精度。
分辨率
分辨率是指传感器能够区分的最小加速度变化量。高分辨率的传感器能够提供更详细的加速度信息，有助于更准确地分析和诊断振动问题。
多功能化与复合测量
可靠性与耐久性提升
开发具有多功能特性的压电式加速度传感器，实现复合物理量的同时测量，如温度、压力等，提高传感器的综合性能。
针对恶劣环境和特殊应用需求，加强压电式加速度传感器的可靠性和耐久性研究，确保长期稳定运行。
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06 总结与展望
压电式加速度传感器研究总结
01
压电效应与传感器设计
压电材料在受到外力作用时会产生电荷，利用这一特性可设计出高灵敏
度的加速度传感器。通过优化压电材料选择和结构设计，可提高传感器
的性能。
02
信号处理与数据分析
压电式加速度传感器输出的信号需要经过放大、滤波等处理，以提取有
用的加速度信息。借助现代信号处理技术，可实现高精度、高稳定性的

压电式加速度传感器原理

压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器是一种常用于测量物体加速度的传感器，它利用压电效应来实现加速度的测量。

在压电式加速度传感器中，压电材料的压电效应被利用来测量加速度，因此了解压电效应是理解压电式加速度传感器原理的关键。

压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种效应可以被用来实现传感器的测量功能。

在压电式加速度传感器中，通常会使用压电陶瓷作为传感器的敏感元件。

当传感器受到加速度作用时，压电陶瓷会产生相应的机械变形，从而产生电荷信号。

通过测量这一电荷信号的大小，就可以确定加速度的大小。

除了压电效应，压电式加速度传感器还利用了质量和弹簧的作用原理。

在传感器的结构中，通常会有一个质量块和弹簧，质量块会受到加速度的作用而产生位移，弹簧则会将质量块恢复到平衡位置。

通过测量质量块的位移，就可以确定加速度的大小。

在实际的应用中，压电式加速度传感器通常会与信号调理电路和微处理器等电子元件结合在一起，以实现对加速度信号的处理和分析。

信号调理电路可以对传感器输出的电荷信号进行放大和滤波，以提高测量的精度和稳定性。

而微处理器则可以对处理后的信号进行进一步的分析，实现对加速度信号的数字化处理和应用。

总的来说，压电式加速度传感器利用压电效应、质量和弹簧的作用原理，通过测量压电材料产生的电荷信号和质量块的位移，实现对加速度的测量。

同时，通过与信号调理电路和微处理器的结合，可以实现对加速度信号的精确测量和数字化处理，从而满足不同应用场景对加速度测量的需求。

在工程领域，压电式加速度传感器被广泛应用于汽车、航空航天、工业生产等领域，用于测量机械振动、车辆加速度、结构变形等参数。

随着科技的不断进步，压电式加速度传感器的测量精度和稳定性也在不断提高，将为各个领域的工程应用带来更多的便利和可能性。

压电式加速度传感器及其应用课件

新材料与新技术的应用
新材料研发
随着科技的进步，新型材料如碳纳米管、石墨烯等被应用于压电材料的制备，以提高传感器的灵敏度和稳定性。
新加工技术
微纳米加工技术的进步使得传感器尺寸微型化，提高了其响应速度和测量精度。
提高测量范围与分辨率
测量范围拓展
通过改进结构设计，优化材料性能，提高压电式加速度传感器的测量范围，使其能够应对更广泛的加速度波动。
压电式加速度传感器特性
01
长期稳定性、耐腐蚀、抗疲劳，适用于桥梁健康监测。
应用原理
02
在桥梁的关键部位安装压电式加速度传感器，实时监测桥梁的
振动和变形情况，评估桥梁的健康状况。
优势与效果
03
能够及时发现桥梁的结构损伤和异常振动，为桥梁的维护和加
固提供科学依据。
地震监测
压电式加速度传感器特性
高灵敏度、宽动态范围、可靠性高，适用于地震监测。
分辨率提升
采用信号放大、噪声抑制等手段，提高传感器的分辨率，使其能够检测到更小的加速度变化。
温度补偿与交叉灵敏度抑制
温度补偿技术
为消除温度对传感器性能的影响，采用温度补偿技术，如热敏电阻、温度传感器等，实时监测并修正温度变化对测量结果的影响。
交叉灵敏度抑制
通过改进传感器结构和材料组合，降低交叉灵敏度，提高传感器在多轴方向上的测量精度。
03 压电式加速度传感器的应用
在振动测量中的应用
压电式加速度传感器由于其高灵敏度、低噪声、抗干扰能力强等特点，在振动测量领域中得到了广泛应用。
在振动测量中，压电式加速度传感器通常被用来测量结构的振动速度、位移和加速度等参数，以评估结构的动态特性和稳定性。

压电式传感器原理及应用

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。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。
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5.3.2 等效电路及信号变换电路
的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、
固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。
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2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
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陶瓷片极化
压电式传感器原理及应用
5.3.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器以压电效应为基础压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力变形产生电荷)
如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。
但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系

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

q' =2q； U'=U； C'=2C 图5-22（b）为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷 q' 等于单片电荷 q ，而输出电压 U'为单片电压 U 的二倍，总电容 C' 为单片电容 C 的一半，即
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)。