壓縮式壓電加速度傳感器簡介

　　1 傳感器的結構及工作原理

　　壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬於慣性式傳感器。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於加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

　　常用的壓電式加速度計的結構形式如圖1。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖1（a）是中央安裝壓縮型，壓電元件—質量塊—彈簧系統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，測試對象和環境溫度變化將影響壓電元件，並使預緊力發生變化， 易引起溫度漂移。圖1（b）為環形剪切型結構簡單，能做成極小型、高共振頻率和加速度計，環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由於粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高溫度受到限制。圖1（c）為三角剪切形，壓電元件由夾持環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。

　　4

　　圖1 壓電式加速度計的結構形式圖

　　就其結構特點而言，壓縮式壓電傳感器（加速度計）第三種結構形式與前兩種相同，原理也相同，所不同的是其敏感元件的安裝方向倒置了。所以，對於同一加速度輸入，其響應極性正好相反，即軸向靈敏度的方向相反。前兩種型式的傳感器結構如圖2。

　　

　　圖2 壓縮式電傳感器結構圖

　　它們由預緊彈簧、慣性質量、壓電晶體片、墊片、連杆、鎖緊螺母、殼體和基座等組成。當固定在被測物體上的傳感器隨物體運動時，其慣性質量塊產生慣性作用力作用在壓電晶體片上，壓電晶體片產生與此作用力成比例的變形，由於壓電晶體片的壓電效應，便產生與壓電元件變形成比例的電荷，此信號由輸出端引出。在此傳感器中，壓電晶體片既是敏感元件又是彈性元件。一般把壓電晶體片看成無質量的彈簧。慣性質量塊為絕對剛性。預緊彈簧與墊片的質量均忽略不計。所以該傳感器可簡化成單自由度系統，見圖3，其固有頻率為：

　　

　　式中： K為圓板形壓電晶體片的剛度；ms為慣性質量塊的質量；E為壓電晶體片的楊氏模量；D為壓電晶體片的直徑；t為各晶體片的厚度；mb為傳感器基座和殼體的質量。

　　

　　圖3 壓縮式電傳感器原理圖

　　m-慣性質量；s-彈簧；b-基座

　　所謂壓電傳感器的軸向靈敏度就是在一定條件下其指定的電輸出量與軸向指定的機械輸入量的比值，即：

　　

　　檢查靈敏度幅值線性度時，傳感器靈敏度的方向性可根據外加軸向機械運動的方向而定；若外加運動使慣性塊慣性力方向指向傳感器的基座時，輸出靈敏度方向為正向，若外加運動使慣性質量塊的慣性力方向背向傳感器基座時，輸出靈敏度為負向。例如將壓電傳感器固定在跌落衝擊臺的上安裝臺面時，在衝擊時產生的靈敏度為正向，若將壓電傳感器固定在其下安裝臺面時，衝擊時產生的靈敏度為負向。而對於倒置中心安裝式傳感器的靈敏度剛好相反。

　　2 正反向靈敏度的比較

　　所謂幅值線性度檢查是在規定的加速度範圍內檢查傳感器的靈敏度隨不同加速度的變化情況。幅值線性度可以採用諧振梁法和衝擊法進行檢查。衝擊法比諧振梁法可達到的最大加速度值高得多，現介紹衝擊法試驗的情況。

　　把被檢定的壓電傳感器先後固定在G-1000型衝擊裝置的衝錘檯面上或下面，當檢查正向靈敏度時，將傳感器正向固定在衝錘之上；當檢查負向靈敏度時，則將它反向固定在衝錘之下。壓電傳感器的輸出信號均經同一臺B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然後由同一臺2606型測量放大器再放大並指出峰值，因而排除了二次測量儀表的不同而產生的影響。該衝擊裝置在某一高度多次跌落衝錘時產生的加速度重複性較好；由於壓電式加速度計的質量差異不大，在安裝一隻加速度計的情況，對於同一跌落高度，不同傳感器對衝錘加速度的影響可忽略不計。通過測試發現，在同一跌落高度，當改變被測傳感器時，衝擊加速度的增長（或持續）時間也不變。因此只採用改變衝錘跌落高度的方法控制衝擊加速度幅值。

　　加速度幅值線性度可根據最小二乘法計算，其值為：

　　

　　式中：So為截距；S為在加速度為a時的靈敏度。

　　對於幾種加速度計的測試結果示於表1。可以發現，對不同的壓縮式傳感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當輸入加速度值較小時，加速度計的幅值線性度、重複性和穩定性都較好；當輸入加速度值較高時（ 大於1 000 m／s2），這些性能變差。對於同一隻傳感器，其正向與反向靈敏度有差異，發現有兩方面的問題 ： （1）當輸入加速度幅值不太高時，傳感器的正向靈敏度可以大於也可能小於其反向靈敏度，隨不同的傳感器而異；（2）當輸入加速度幅值較大時，傳感器的正向與反向靈敏度的差值隨之增加。當加速度幅值增加到某個量值時，其反向靈敏度出現「飽和現象」，即再繼續增加輸入加速度幅值時，傳感器的靈敏度變化不大或無變化。此時的輸入加速度幅值稱為「飽和加速度（as）」。不同的傳感器as值也不同。實驗發現，我國生產的壓縮式傳感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測量範圍也較小。相反，當輸入加速度幅值增大到一定程度時，傳感器的正向靈敏度不正常，甚至會導致傳感器損壞，這時的輸入加速度幅值稱為「失效加速度（a f）」。一般情況下，｜af｜＞｜as｜，從af到-as的區間稱為傳感器的測量加速度範圍。

　　

　　表1 幾種加速度計的測量結果

　　3 壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題的分析

　　壓電傳感器是一種利用壓電效應進行機電能量轉換的變換器。因為它具有若干優點，所以被廣泛地應用於機械結構的振動與衝擊參量的測量。壓電傳感器基本上有壓縮式、剪切式和彎曲式3種形式。衡量這種傳感器的參數有數個，其中主要是靈敏度。按照一般檢定規程規定，要求採用衝擊法和諧振梁法檢查傳感器靈敏度的幅值線性度；但各種標準規定不夠確切，只是泛指幅值線性度。實質上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對於有正負極性的二次指示儀表，測量高g（1g＝10 m／s2）值振動以及需要反向安裝傳感器的衝擊情況（即測量負脈衝衝擊加速度），若僅僅檢查傳感器的正向靈敏度幅值線性度是不夠的，還應檢查其「反向靈敏度線性度」，以便使傳感器得出正確的測試數據。在我國，壓縮式壓電傳感器的使用和生產量較大，為此，談談壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題。

　　壓縮式壓電傳感器的靈敏度與其對輸入加速度的響應情況有關。實際上，傳感器是多自由度系統，可等效為圖4所示的系統。影響系統響應的因素很多，如預緊彈簧、慣性質量、壓電晶體片、墊片、連杆、基座 、鎖緊螺母等的幾何尺寸、結構形式、材料性質有關。對於給定的傳感器，這些因素就固定了。則某個傳感器正反向靈敏度的差異及反向靈敏度的「飽和現象」主要與傳感器零件的加工情況、工藝水平及組裝方法有關。

　　

　　圖4 壓電傳感器的等效示意圖

　　m-慣性質量；P