傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 知識點：7.4壓電式加速度傳感器

傳感器應(yīng)用技術(shù)項目七壓電式傳感器壓電式加速度傳感器1.壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)組成廣義地講，凡是利用壓電材料各種物理效應(yīng)構(gòu)成的傳感器，都可稱為壓電式傳感器。但目前應(yīng)用最多的還是壓電式加速度傳感器以及壓電式力和壓力傳感器。壓電式傳感器的特點屬能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器，體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍；靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠性高；對應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與傳感器剛度無關(guān)；有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象。2.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器目前已成為振動沖擊測試技術(shù)中使用廣泛的一種傳感器。世界各國作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的高頻和中頻振動基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器，都是壓電式的。壓電式加速度傳感器的特點是量程大、頻帶寬、安裝簡單、適用于各種惡劣環(huán)境、體積小、重量輕。它廣泛應(yīng)用于振動沖擊測試、信號分析、故障診斷，振動校準(zhǔn)等方面。下圖是壓電加速度傳感器的外形。2.壓電式加速度傳感器2.壓電式加速度傳感器1.壓電式加速度傳感器的工作原理壓電式加速度傳感器的工作原理如圖所示。壓電元件一般由兩塊壓電片（石英晶片或壓電陶瓷片）組成，在壓電片的兩個表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線。輸出端的另一端直接與基座相連。相當(dāng)于并聯(lián)連接。在壓電元件上，以一定的預(yù)緊力安裝一慣性質(zhì)量塊，整個組件裝在一個有厚基座的金屬殼體中。1-基座2-壓電片3-質(zhì)量體4-彈簧5-殼體2.壓電式加速度傳感器測量時，通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性地固定在一起，傳感器感受與試件相同頻率的振動。由于壓緊在質(zhì)量塊上的彈簧剛度很大，因此質(zhì)量塊也感受與試件相同的振動。質(zhì)量塊就以一正比于加速度的交變力作用在壓電片上，由于壓電效應(yīng)，在壓電片的兩個表面上就有電荷產(chǎn)生。傳感器的輸出電荷（或電壓）與作用力成正比，也與試件的加速度成正比。2.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的力學(xué)模型如圖所示，m是慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量，c是阻尼系數(shù)，k是彈性系數(shù)，x是慣性質(zhì)量塊相對于傳感器殼體的位移，y是傳感器基座的絕對位移。這是典型的慣性式傳感器，通常可簡化為單自由度二階振動系統(tǒng)。2.壓電式加速度傳感器質(zhì)量塊的動力學(xué)方程或整理成

系統(tǒng)對加速度響應(yīng)的幅頻特性2.壓電式加速度傳感器由于質(zhì)量塊相對振動體的位移y即是壓電器件（設(shè)壓電常數(shù)為d33）受慣性力F作用后產(chǎn)生的變形，在其線性彈性范圍內(nèi)有F＝ky。由此產(chǎn)生的壓電效應(yīng)代入上式，則壓電加速度傳感器的電荷靈敏度幅頻特性為

若考慮傳感器接入兩種測量電路的情況：2.壓電式加速度傳感器（1）接入反饋電容為Cf的高增益電荷放大器，帶電荷放大器的壓電加速度傳感器的幅頻特性為（2）接入增益為A，回路等效電阻和電容分別為R和C的電壓放大器后，可得放大器的輸出為其中2.壓電式加速度傳感器帶電壓放大器的壓電加速度傳感器的幅頻特性為

壓電加速度傳感器的幅頻特性2.壓電式加速度傳感器綜上所述：（1）當(dāng)壓電加速度傳感器處于（ω/ωn）<<1，即A（ωn）→1時，可得到靈敏度不隨ω而變的線性輸出，這時得到傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)

（傳感器本身）或（帶電荷放大器）通常取ωn＞（3～5）ω。2.壓電式加速度傳感器（2）配電壓放大器的加速度傳感器特性由低頻特性A（ω1）和高頻特性A（ωn）組成。高頻特性由傳感器機(jī)械系統(tǒng)固有特性所決定；低頻特性由電回路的時間常數(shù)

決定，只有當(dāng)ω/ωn<<1和ω1/ω<<1（即ω1<<ω<<ωn）時，傳感器的靈敏度為常數(shù)2.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)目前，壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)形式主要有壓縮型、剪切型和復(fù)合型三種(a)正裝中心結(jié)構(gòu)(b)改進(jìn)的隔離基座結(jié)構(gòu)(c)改進(jìn)的倒裝中心結(jié)構(gòu)(d)雙筒雙屏蔽新穎結(jié)構(gòu)1—殼體；2—頂緊螺母；3—質(zhì)量塊；4—壓電片；5—基座；6—引線接頭；7—頂緊筒2.壓電式加速度傳感器（1）壓縮型圖（a）為正裝中心壓縮式，其特點是：質(zhì)量塊和彈性元件通過中心螺栓固緊在基座上形成獨立的體系，從而與易受非振動環(huán)境干擾的殼體分開，它具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、頻響好、工作可靠等憂點，但基座的機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變?nèi)杂杏绊?。為此，設(shè)計出圖（b）所示的改進(jìn)型的隔離基座壓縮式，和圖（c）所示的改進(jìn)型的倒裝中心壓縮式。圖（d）是一種雙筒雙屏蔽新穎結(jié)構(gòu)，它除了外殼起屏蔽作用外，內(nèi)預(yù)載套筒也起內(nèi)屏蔽作用。由于預(yù)載筒橫向剛度大，大大提高了傳感器的綜合剛度和橫向抗干擾能力。這種結(jié)構(gòu)還在基座上設(shè)有應(yīng)力槽，可起到隔離基座機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變干擾的作用，但這種結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝比較復(fù)雜。2.壓電式加速度傳感器（2）剪切型剪切型壓電式加速度傳感器是利用壓電元件受剪切應(yīng)力而產(chǎn)生壓電效應(yīng)原理制作的傳感器。這類傳感器的壓電元件以選用壓電陶瓷為佳。按壓電元件結(jié)構(gòu)形式的不同，剪切型壓電式加速度傳感器可分為環(huán)形剪切型、三角剪切型、H剪切型等。三種類型的剪切型壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。2.壓電式加速度傳感器（3）復(fù)合型復(fù)合型壓電式加速度傳感器是指那些具有組合結(jié)構(gòu)、差動原理、組合一體化的壓電式傳感器。兩種最常見的類型如下。1-質(zhì)量塊2-壓電石英體3-超小型阻抗變換器4-電纜插座三向加速度傳感器組合一體化壓電式加速度傳感器2.壓電式加速度傳感器①三向加速度傳感器多晶片三向壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電加速度傳感器組件由三組具有x、y、z三向互相正交壓電效應(yīng)的壓電元件組成。這三組壓電元件分別感受三個方向的加速度，其中一組為壓縮型，感受z軸方向的加速度，另外兩組為剪切型，分別感受x軸和y軸方向的加速度。這三組壓電元件的靈敏軸線互相垂直。三組壓電元件分別輸出與三個方向加速度成正比