壓電式加速度傳感器及其應(yīng)用

1、壓電式加速度傳感器及其應(yīng)用壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器乂稱(chēng)壓電加速度計(jì)。 它也屆丁慣性式傳感器。它是利用 某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的 力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低丁加速度計(jì)的固有頻率時(shí)， 則力的變化與被 測(cè)加速度成正比。由丁壓電式傳感器的輸出電信號(hào)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(lái)一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃?。?jīng)過(guò)阻抗變換以后，方可用丁一般的放大、檢 測(cè)電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄器。二、壓電式加速度傳感器構(gòu)成元件常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖所示， 是由預(yù)壓彈

2、簧，質(zhì)量塊，基座, 壓電元件和外殼組成。圖中為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做成極小型、高共振頻 率的加速度計(jì)，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。 由丁粘結(jié)劑 會(huì)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i1H1111o.oi o.i 1io iao woo iodo io圖1壓電式加速度計(jì)的幅頻特性曲線(xiàn)加速度計(jì)的使用上限頻率取決丁幅頻曲線(xiàn)中的共振頻率圖（圖1）。一般小阻尼（z<=0.1）的加速度計(jì)，上限頻率若取為共振頻率的1/3,便可保證幅值誤差低丁 1dB （即12%）;若取為共振頻率的1/5,則可保證幅值誤差小丁 0.5dB （即 6%）,相移

3、小丁 30。但共振頻率與加速度計(jì)的固定狀況有關(guān)，加速度計(jì)出廠(chǎng)時(shí) 給出的幅頻曲線(xiàn)是在剛性連接的固定情況下得到的。實(shí)際使用的固定方法往往難丁達(dá)到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會(huì)有所下降。四、壓電式加速度傳感器的靈敏度壓電式加速度計(jì)的靈敏度 壓電加速度計(jì)屆發(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(jì)輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計(jì)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(dòng)測(cè)量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度 g作單 位，1g= 9.80665m/s2對(duì)給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元 件的增多

4、而增大。一般來(lái)說(shuō)，加速度計(jì)尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的 利弊。壓電晶體加速度計(jì)的橫向靈敏度表示它對(duì)橫向振動(dòng)的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計(jì)的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的白分比表示。一般在殼體上用小紅點(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向， 一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng) 小丁主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計(jì)在測(cè)試時(shí)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(jì)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(dǎo)體充電到電壓 U=q/Ca（這里Ca是加速度計(jì)的 內(nèi)

5、電容）。要測(cè)定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線(xiàn)、測(cè)量電路和加 速度計(jì)本身的電荷泄漏。換句話(huà)講，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高 的輸入阻抗，把泄漏減少到測(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以?xún)?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(jiǎn)單，但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng) 測(cè)量。電荷放大器以電容作負(fù)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(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴。從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有 低通”特性，原可測(cè)量極低頻的振動(dòng)。 但實(shí)際上由于低頻尤其小振幅振動(dòng)時(shí)， 加

6、速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此 輸出的信號(hào)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(cè) 振動(dòng)速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)截止頻率”，約為0.11Hz左右。六、壓電式加速度傳感器的實(shí)際應(yīng)用目前最新舊M Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān) 測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤(pán) 還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境， 或者不小心摔了電腦做造成的硬盤(pán)損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè) 用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里， 也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候 的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。概括起來(lái)，加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手