压电式加速度传感器
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多数加速度传感器根据压电效应原理来工作
所谓压电效应 "对于存对称心异极晶体加晶体上外力除了使晶体发生形变外还改变晶体极化状态晶体内部建立电场种由于机械力作用使介质发生极化现象称正压电效应 "般加速度传感器利用内部由于加速度造成晶体变形特性由于变形会产生电压只要计算出产生电压和所施加加速度之间关系加速度转化成电压输出当还有多其方法来制作加速度传感器比压阻技术电容效应热气泡效应光效应其基本原理都由于加速度产生某介质产生变形通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出
线加速度计原理惯性原理也力平衡A=F/M 我们只需要测量F了用电磁力去平衡力测得外力F得 F对应于电流关系只需要用实验去标定比例系数行了当间信号传输、放大、滤波要通过相应电路来实现了
加速度传感器帮助机器了解现身处环境水平走下坡还别情况现代生产生活被应用于许许多多方面提电脑硬盘抗摔保护目前用数码相机和摄像机里也有加速度传感器用来检测拍摄时候手部振动并根据些振动自动调节相机聚焦压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面
灵敏度压电加速度传感器应用时候要考虑得重要因素之也传感器正常工作时候输入信号R于输出信号C比值有成线性也有非线性例某位移传感器位移变化1mm时输出电压变化200mV则其灵敏度应表示200mV/mm灵敏度自越高实际上灵敏度越高测量范围窄；相反灵敏度低点能获得比较宽测量范围所产品选择传感器时候要从需要出发味地使用高精度传感器往往意味着更高成本
抗疲劳性也压电加速度传感器重要因素有些应用需要持续长时间使用传感器要求内部部件能够支持长时间监测使用高强度、稳定性好材料器件应该能够好解决问题
稳定性些特殊场合运用传感器时需要特定传感器若般传感器则会快毁损前老师课堂上说过运用于烤鸭考虑监测温度湿度传感器要经受住长期油腻、高温、潮湿等相信压电加速度也会有类似严峻工作环境要求了高稳定性
通常情况下传感器实际静态特性输出条曲线而非直线实际工作使仪表具有均匀刻度读数常用条拟合直线近似地代表实际特性曲线、线性度（非线性误差）近似程度性能指标
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1楼
压电式加速度传感器
（1）压电式加速度计结构和安装
压电式加速度传感器又称压电加速度计也属于惯性式传感器利用某些物质石英晶体压电效应加速度计受振时质量块加压电元件上力也随之变化当被测振动频率远低于加速度计固有频率时则力变化与被测加速度成正比
由于压电式传感器输出电信号微弱电荷而且传感器本身有大内阻故输出能量甚微给接电路带来定困难 此通常把传感器信号先输高输入阻抗前置放大器经过阻抗变换方用于般放大、检测电路信号输给指示 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起产品仅方便了使用而且也大大降低了成本
(a)心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型
图13.18 压电式加速度计
常用压电式加速度计结构形式图13.18所示S弹簧M质块B基座P压电元件R夹持环图13.18a央安 装压缩型压电元件—质量块—弹簧系统装圆形心支柱上支柱与基座连接种结构有高共振频率而基座B与测试对 象连接时基座B有变形则直接影响拾振器输出此外测试对象和环境温度变化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三角剪切形压电元件由夹持环其夹牢三角形心柱上加速度计感受轴向振动时压电元件承 受切应力种结构对底座变形和温度变化有极好隔离作用有较高共振频率和良好线性图13.18b环形剪切型结构简单能做成极小型、高共振频率加速度计环形质量块粘装心支柱上环形压电元件上由于粘结剂会随温度增高而变 软因此高工作温度受限制
图13.19 压电式加速度计幅频特性曲线
加速度计使用上限频率取决于幅频曲线共振频率图（图13.19）般小阻尼(z<=0.1)加速度计上限频率若取共振频率 1/3便保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取共振频率1/5则保证幅值误差小于0.5dB（即6%）相移小于30共振频率与加速度计固定状况有关加速度计出厂时给出幅频曲线刚性连接固定情况下得实际使用固定方法往往难于达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各种固定方法见 图13.20
图13.20 加速度计固定方法
其图13.20a采用钢螺栓固定使共振频率能达出厂共振频率好方法螺栓得全部拧入基座螺孔免引起基座 变形影响加速度计输出安装面上涂层硅脂增加平整安装表面连接靠性需要绝缘时用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计（图13.20b）垫圈应尽量簿用层簿蜡把加速度计粘试件平整表面上（图13.20c）也用于低温（40℃下）场合手持探针测振方法（图13.20d）多点测试时使用特别方便测量误差较大重复性差使用上限频率般高于 1000Hz用专用永久磁铁固定加速度计（图13.20e）使用方便多低频测量使用此法也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）固定方法也长使用某种典型加速度计采用上述各种固定方法共振频率分别约：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）压电式加速度计灵敏度 压电加速度计属发电型传感器把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加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；者加速度计输出电荷与所承受加速度之比 加速度单位m/s2振动测量往往用标准重力加速度g作单位1g= 9.80665m/s2种已大家所接受表示方式几乎所有 测振仪器都用g作加速度单位并仪器板面上和说明书标出
对给定压电材料而言灵敏度随质量块增大或压电元件增多而增大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、附加质量影响和频率响应特性之间利弊
压电晶体加速度计横向灵敏度表示对横向（垂直于加速度计轴线）振动敏感程度横向灵敏度常主灵敏度（即加速度计电压灵敏度或电荷灵敏度）百分比表示般壳体上用小红点标出小横向灵敏度方向优良加速度计横向灵敏度应小于主灵敏度3％因此压电式加速度计测试时具有明显方向性
（3）压电加速度计前置放大器 压电元件受力产生电荷量极其微弱电荷使压电元件边界和接边界上导体充电 电压U=q/Ca（里Ca加速度计内电容）要测定样微弱电荷（或电压）关键防止导线、测量电路和加速度计本身电荷泄漏换句讲压电加速度计所用前置放大器应具有极高输 入阻抗把泄漏减少测量准确度所要求限度内
压电式传感器前置放大器有：电压放大器和电荷放大器所用电压放大器高输入阻抗比例放大 器其电路比较简单输出受连接电缆对地电容影响适用于般振动测量电荷放大器电容作负反馈使用基本受 电缆电容影响电荷放大器通常用高质量元、器件输入阻抗高价格也比较贵
从压电式传感器力学模型看具有低通特性原测量极低频振动实际上由于低频尤其小振幅振动时加速度 值小传感器灵敏度有限因此输出信号微弱信噪比低；另外电荷泄漏积分电路漂移（用于测振动速度和位 移）、器件噪声都避免所实际低频端也出现截止频率约0.1～1Hz左右
随着电子技术发展目前大部分压电式加速度计壳体内都集成放大器由来完成阻抗变换功能类内装集成放大器 加速度计使用长电缆而无衰减并直接与大多数通用仪表、计算机等连接般采用2线制即用2根电缆给传感器供给 2～10mA恒流电源而输出信号也由2根电缆输出大大方便了现场接线表13.1某厂家生产压电式加速度计参数表 表13.1 常用压电式加速度计参数表
型号
量程
灵敏度
分辨率
重量
应用及特点
350B04
5000g
0.5mV/g
0.02g
4.5g
适用于爆破、撞击等
350B21
100000g
0.05mV/g
0.3g
4.4g
适用于爆破、撞击、爆炸分离等
351B03
150g
10mV/g
0.003g
10.5g
-196℃低温环境下工作
352A
5g
1000mV/g
0.00004g
35g
高分辨率型
352C22
500g
10mV/g
0.0015g
0.5g
微型适用于小型结构
352C65
50g
100mV/g
0.00016g
2g
小型、高灵敏度、高分辨率各种用途
353B18
500g
10mV/g
0.005g
2g
高频、小型、石英剪切各种用途
353B33
50g
100mV/g
0.0005g
27g
三角剪切结构石英通用加速度传感器
353M255
2000g
2.5mV/g
0.04g
17.9g
冲击传感器、内置滤波器桩基检测
355B03
500g
10mV/g
0.0005g
10g
环型
356B08
50g
100mV/g
0.0002g
20g
轴、结构实验
356A18
5g
1000mV/g
0.00006g
24g
3轴、高灵敏度
356A40
10g
100mV/g
0.0002g
180g/片状
3轴坐垫传感器汽车实验
356M41
500g
10mV/g
0.001g
4g/方形
3轴、小型模态、振动、噪声实验
393C
5g
1V/g
0.0001g
1000g
超低频地震传感器长期稳定性良好
393B31
0.5g
10V/g
0.000001g
635g
超低频地震传感器高灵敏度
（4）压电式速度传感器
由于上述磁电式速度传感器存响应频率范围小机械运动部件容易损坏传感器质量大造成附加质量大等缺点近年发展了 压电式速度传感器即压电式加速度传感器基础上增加了积分电路实现了速度输出同样种传感器也全部实现了内置具有替换磁电式速度传感器趋向
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