壓電式加速度傳感器及其應用研究
發布時間：2017-09-01
一、 壓電式加速度傳感器原理
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。 為此，通常把傳感器信號先輸到高輸入阻抗的前置放大器。經過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示 儀表或記錄器。
二、壓電式加速度傳感器構成元件
常用的壓電式加速度計的結構形式如圖一所示。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環壓電元件―質量塊―彈簧系統裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與測試對 象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發生變化， 易引起溫度漂移。圖一c為三角剪切形，壓電元件由夾持環將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承 受切應力。這種結構對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖一b為環形剪切型，結構簡單，能做成極小型、高共振頻率的加 速度計，環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。
三、壓電式加速度傳感器幅頻特性
加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率圖(圖二)。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的 1/3，便可保證幅值誤差低于1dB(即12%);若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB(即6%)，相移小于30。但共振頻率與加速 度計的固定狀況有關，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難于達到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻 率都會有所下降。加速度計與試件的各種固定方法見 圖三。
a采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計(圖三b)，但墊圈應盡量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上(圖三c)，也可用于低溫(40℃以下)的場合。手持探針測振方法(圖 三d)在多點測試時使用特別方便，但測量誤差較大，重復性差，使用上限頻率一般不高于 1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計(圖三e)，使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓(圖三f)或粘接劑 (圖三g)的固定方法也長使用。某種典型的加速度計采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層 29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。
四、壓電式加速度傳感器的靈敏度
壓電式加速度計的靈敏度 壓電加速度計屬發電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和 電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計輸出電壓(mV)與所承受加速度之比;后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。 加速度單位為m/s2，但在振動測量中往往用標準重力加速度g作單位，1g= 9.80665m/s2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有 測振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標出。對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計 尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率響應特性之間的利弊。
壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向(垂直于加速度計軸線)振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度(即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏 度)的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向，一個優良的加速度計的橫向靈敏度應小于主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計在測試時具 有明顯的方向性。
五、壓電式加速度傳感器誤差形成因素分析
壓電加速度計的前置放大器 壓電元件受力后產生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導體充電 到電壓U=q/Ca(這里Ca是加速度計的內電容)。要測定這樣微弱的電荷(或電壓)的關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓 電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內，壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用 電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大 器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。
從壓電式傳感器的力學模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由于低頻尤其小振幅振動時，加速度值小，傳感器的靈敏度有 限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低;另外電荷的泄漏，積分電路的漂移(用于測振動速度和位 移)、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。
六、壓電式加速度傳感器的實際應用
目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內置了加速度傳感器，能夠動態的監測出筆記本在使用中的振動，并根據這些振動數據，系統會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續運 行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數據。另外一個用處就是目前用的數 碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據這些振動，自動調節相機的聚焦。
概括起來，加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統，玩具，結構物、環境監視，工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析;鼠標，高層建筑結構動態特性和安全保衛振動偵察上。
摘自：中國計量測控網
