压电式加速度传感器及其应用

1、压电式加速度传感器及其应用压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器乂称压电加速度计。 它也届丁惯性式传感器。它是利用 某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的 力也随之变化。当被测振动频率远低丁加速度计的固有频率时， 则力的变化与被 测加速度成正比。由丁压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用丁一般的放大、检 测电路将信号输给指示仪表或记录器。二、压电式加速度传感器构成元件常用的压电式加速度计的结构形式如图所示， 是由预压弹

2、簧，质量块，基座, 压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频 率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。 由丁粘结剂 会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。三、压电式加速度传感器幅频特性i1H1111o.oi o.i 1io iao woo iodo io图1压电式加速度计的幅频特性曲线加速度计的使用上限频率取决丁幅频曲线中的共振频率图（图1）。一般小阻尼（z<=0.1）的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3,便可保证幅值误差低丁 1dB （即12%）;若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差小丁 0.5dB （即 6%）,相移

3、小丁 30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时 给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难丁达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。四、压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计届发电型传感器，可把它看成电压 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。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加 速度之比。加速度单位为m/s2,但在振动测量中往往用标准重力加速度 g作单 位，1g= 9.80665m/s2对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元 件的增多

4、而增大。一般来说，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、附加质量的影响和频率响应特性之间的 利弊。压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的白分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向， 一个优良的加速度计的横向灵敏度应 小丁主灵敏度的3%。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。五、压电式加速度传感器误差形成因素分析压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压 U=q/Ca（这里Ca是加速度计的 内

5、电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加 速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高 的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内， 压电式传感器的前置 放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放 大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动 测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。从压电式传感器的力学模型看，它具有 低通”特性，原可测量极低频的振动。 但实际上由于低频尤其小振幅振动时， 加

6、速度值小，传感器的灵敏度有限，因此 输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测 振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现截止频率”，约为0.11Hz左右。六、压电式加速度传感器的实际应用目前最新旧M Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监 测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘 还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境， 或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个 用处就是目前用的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 的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。概括起来，加速度传感器可应用在控制，手