壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器壓電式加速度計的結構和安裝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(nèi)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?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?jīng)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。目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的產(chǎn)品，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。常用的壓電式加速度計的結構形式如圖8.18所小。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖8.18a是中央安裝壓縮型，壓電元件一質量塊一彈簧系統(tǒng)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(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖8.18c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)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8.18b為環(huán)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(huán)形質量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)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。

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8.19）。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3）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8.20。其中圖8.20a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8.20b），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8.20c），也可用于低溫（40°C以下）的場合。手持探針測振方法（圖8.20d）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8.20e），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8.20f）或粘接劑（圖8.20g）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。（2）壓電式加速度計的靈敏度壓電加速度計屬發(fā)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(yōu)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。（3）壓電加速度計的前置放大器壓電元件受力后產(chǎn)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(nèi)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(nèi)。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(xiàn)“截止頻率”，約為0.1?1Hz左右。

隨著電子技術的發(fā)展，目前大部分壓電式加速度計在殼體內(nèi)都集成放大器，由它來完成阻抗變換的功能。這類內(nèi)裝集成放大器的加速度計可使用長電纜而無衰減，并可直接與大多數(shù)通用的儀表、計算機等連接。一般采用2線制，即用2根電纜給傳感器供給2?10mA的恒流電源，而輸出信號也由這2根電纜輸出，大大方便了現(xiàn)場的接線。表8.1為某廠家生產(chǎn)的壓電式加速度計的參數(shù)表。表8.1 常用壓電式加速度計的參數(shù)表量程靈敏度分辨率重量應用及特點5000g0.5mV/g0.02g4.5g適用于爆破、撞擊等100000g0.05mV/g0.3g4.4g適用于爆破、撞擊、爆炸分離等150g10mV/g0.003g10.5g可在T96°C的低溫環(huán)境下工作5g1000mV/g0.00004g35g高分辨率型500g10mV/g0.0015g0.5g微型，適用于小型結構50g100mV/g0.00016g2g小型、高靈敏度、高分辨率，各種用途500g10mV/g0.005g2g高頻、小型、石英剪切，各種用途50g100mV/g0.0005g27g三角剪切結構，石英通用加速度傳感器2000g2.5mV/g0.04g17.9g沖擊傳感器、內(nèi)置濾波器，樁基檢測500g10mV/g0.0005g10g環(huán)型50g100mV/g0.0002g20g軸、結構實驗5g1000mV/g0.00006g24g3軸、高靈敏度10g100mV/g0.0002g180g/片狀3軸坐墊傳感器，汽車實驗500g10mV/g0.001g4g/方形3軸、小型，模態(tài)、振動、噪聲實驗5g1V/g0.0001g1000g超低頻地震傳感器，長期穩(wěn)定性良好0.5g10V/g0.000001g