压电式加速度传感器分解
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。
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
12第七章 压电式传感器7-2解析
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
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
压电式加速度传感器内部结构
压电式加速度传感器内部结构压电式加速度传感器内部结构压电式加速度传感器是一种常用的传感器，它可以测量物体的加速度，广泛应用于汽车、航空航天、工业自动化等领域。
那么，压电式加速度传感器的内部结构是怎样的呢？压电式加速度传感器的内部结构主要由压电晶体、质量块、弹簧和电路板等组成。
其中，压电晶体是传感器的核心部件，它能够将物体的加速度转化为电信号输出。
质量块则是用来感应物体的加速度，它通常被固定在压电晶体上方，与弹簧相连。
弹簧则是用来支撑质量块，保证其在加速度作用下的运动稳定。
电路板则是用来放置压电晶体和处理输出信号的电路。
具体来说，压电晶体是由压电陶瓷材料制成的，它具有压电效应，即在受到外力作用时会产生电荷。
当物体受到加速度作用时，质量块会相对于压电晶体发生运动，从而使压电晶体产生电荷。
这个电荷信号会被传输到电路板上，经过放大和处理后输出为加速度值。
质量块通常是由金属材料制成的，它的质量和形状会影响传感器的灵敏度和频率响应。
弹簧则是用来支撑质量块，通常采用螺旋弹簧或者悬挂式弹簧。
弹簧的刚度和质量也会影响传感器的灵敏度和频率响应。
电路板通常包括放大电路、滤波电路和AD转换电路等。
放大电路用来放大压电晶体产生的电荷信号，滤波电路则用来滤除噪声和干扰信号，AD转换电路则将模拟信号转换为数字信号输出。
总之，压电式加速度传感器的内部结构是一个复杂的系统，它的灵敏度、频率响应和稳定性等都与各个部件的设计和制造有关。
了解传感器的内部结构可以帮助我们更好地理解其工作原理和应用范围。
传感器技术与应用第9章加速度传感器
F ma
图9-1 应变式加速度传感器结构示意图
9.1.2 应变式加速度传感器的测量原理
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物 体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反 的惯性力作用，使悬臂梁变形。该变形被粘贴在悬臂梁上的 电阻应变片感受到，并随之产生应变，从而使应变片的阻值 发生变化。这个变化经过全桥差动测量电路转变成电桥不平 衡电压输出。并且这个不平衡电压Uo的大小与被测物体的运 动加速度a成正比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-2 压电式加速度传感器结构示意图
9.2.2压电式加速度传感器的测量原理
测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加 速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚 度很大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性 很小。因此，质量块感受与传感器基座相同的振动。这样， 质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应， 便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为
第9章 加速度传感器及其应用案例
9.1 应变式加速度传感器 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 加速度测量显示系统案例
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9.1 应变式加速度传感器
9.1.1 应变式加速度传感器的结构
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。
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。
压电式传感器ppt课件
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电 极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数； F——作用力
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，
适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
压电系数较高，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。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
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。
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)。
压电式加速度传感器内部结构
压电式加速度传感器内部结构1. 引言压电式加速度传感器是一种常用的传感器，用于测量物体的加速度。
它基于压电效应，通过测量压电材料的变形来获取加速度信息。
本文将详细介绍压电式加速度传感器的内部结构，包括主要组成部分和工作原理。
2. 主要组成部分压电式加速度传感器主要由以下几个组成部分构成：2.1 压电材料压电材料是压电式加速度传感器的核心组件，它能够产生电荷或电势差，当受到外力作用时发生形变。
常用的压电材料包括石英、铅锆钛酸钡（PZT）等。
这些材料具有良好的压电性能和稳定性。
2.2 支撑结构支撑结构用于支撑和固定压电材料，确保其正常工作。
通常采用金属或陶瓷材料制成，具有足够的刚性和稳定性。
2.3 惯性质量块惯性质量块是压电式加速度传感器的重要组成部分，它与压电材料相连，并在受到外力时发生相对位移。
惯性质量块的质量和形状会影响传感器的灵敏度和频率响应。
2.4 弹簧系统弹簧系统用于连接惯性质量块和支撑结构，提供恢复力以使传感器恢复到平衡状态。
弹簧的刚度和阻尼特性对传感器的性能有重要影响。
2.5 电极电极用于收集压电材料产生的电荷或电势差，并将其输出为电信号。
通常，压电材料两侧都有电极，通过连接导线将信号传输到外部测量设备。
3. 工作原理压电式加速度传感器的工作原理基于压电效应。
当受到外力作用时，压电材料发生形变并产生相应的电荷或电势差。
这个过程可以分为以下几个步骤：1.外力作用：物体受到加速度时，惯性质量块会受到力的作用。
2.相对位移：惯性质量块相对于支撑结构发生位移，导致压电材料发生形变。
3.电荷产生：压电材料内部的极化会产生电荷，电荷大小与形变程度成正比。
4.电信号输出：电极将产生的电荷收集起来，并通过导线传输到外部测量设备。
通过测量输出的电信号，我们可以计算得到物体的加速度值。
4. 应用领域压电式加速度传感器广泛应用于各个领域，包括但不限于：•汽车工业：用于车辆动态性能测试、碰撞测试等。
•航空航天：用于飞行器姿态控制、振动分析等。
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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。
关键词传感器原理速度光电效应光电元件压电特性传感器分类传感器应用国内外现状自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来[[21，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。
经过近半个世纪的发展，压电加速度传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。
这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。
经过调研，了解到国外几种高冲击压电加速度传感器的主要技术指标，如表1.1所示。
表1.1国外几种压电加速度传感器的主要技术指标压电材料性能的改进以及新型压电材料的研制成功极大地推动了压电传感器的进步。
从最开始的石英到BaTi03压电陶瓷，错钦酸铅(PZT)压电陶瓷，再到压电聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型压电材料[2l。
压电材料制备工艺的进展对压电材料的应用及理论研究具有推动作用，单晶技术的进展培育了许多实用化的压电材料，薄膜工艺的进展为压电器件的平面化、集成化创造了条件。
压电材料的这一系列进步为设计大量高性能的压电元件提供了技术保障。
压电加速度传感器由最初的基座压缩式结构形式，这种结构因易受外界环境影响，后演变为中心压缩型，然后又改进为性能最佳的各种剪切型设计，如环形剪切型。
虽然剪切型的各种性能优异，但是剪切型的结构决定了它不能承受较强的冲击。
剪切型对工艺的要求很高，国外的研究机构(如B&K公司)对剪切型压电加速度传感器做了大量研究[[3]。
为了提高低频灵敏度，后来还研制了压电梁式加速度传感器。
随着MEMS技术和微机械加工技术的发展，出现了可以把质量块、压电元件和基座做成一体的微小型压电传感器，可以把信号处理电路与传感器做在同一基片上的ICP传感器。
大量程高频响的压电加速度传感器主要以中心压缩型为主，剪切型的极为罕见。
国内在压电加速度传感器方面的研究起步较晚，且结构设计和工艺水平落后于国外。
目前国内压电传感器的主要结构是中心压缩型，较好的高冲击压电加速度传感器(中心压缩型)样机的主要技术指标为:最大冲击加速度I OO,OOOg，最高频响8kHz。
在压电加速度传感器的研制方面，北戴河亿柏传感器技术研究所和西安204所做得较好。
压电式加速度传感器原理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。
电荷输出压电加速度传感器，采用剪切和中心压缩结构形式。
其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。
在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。
经过简化后的方程为：Q＝dij﹒F=dij﹒M﹒a （1）式中：Q――压电晶体输出的电荷。
dij――压电晶体的二阶压电张量。
M――传感器的敏感质量。
a――所受的振动加速度值。
每只传感器中内装晶体元件的二阶压电张量是一定的，敏感质量M是一个常量，所以公式（1）说明压电加速度传感器产生的电荷量与振动加速度a成正比。
这就是压电加速度传感器完成的机电转换的工作原理。
压电加速度传感器承受单位振动加速度值能输出电荷量的多少，称其为电荷灵敏度，单位为pC/ms-2或pC/g(1g≈9.8 ms-2)。
压电加速度传感器实质上相当于一个电荷源和一只电容器，通过等效电路简化后，则可算出传感器的电压灵敏度为：Sv＝SQ/CaSV――传感器电压灵敏度mV/ms-2SQ――传感器的电荷灵敏度pC/ms-2Ca――传感器的电容量pF压电加速度传感器在使用中最主要的三项指标为：a电荷灵敏度（或电压灵敏度）、b 谐振频率（工作频率在谐振频率1/3以下）、c最大横向灵敏度比。
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。
压电式加速度传感器构成元件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。
压电式加速度传感器幅频特性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。
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。
灵敏度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。
压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体，如石英晶体；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成品较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。
常用的一代女陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（BaTiO3等）第三类是高分子压电材料。
典型的高分子压电材料有聚偏二乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。
它是一种柔软的压电材料，可根据需要支撑薄膜或电缆套管等形状。
它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。
误差形成因素分析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）。