压缩式压电加速度传感器简介

【摘要】简述了压电加速度传感器的结构原理。说明了该传感器灵敏度的线性度问题，分析了其正向反向灵敏度的差异与“饱和现象”，以便在生产、鉴定与使用时加以注意。

1 传感器的结构及工作原理

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。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于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

常用的压电式加速度计的结构形式如图1。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图1（a）是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图1（b）为环形剪切型结构简单，能做成极小型、高共振频率和加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高温度受到限制。图1（c）为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。

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图1 压电式加速度计的结构形式图

就其结构特点而言，压缩式压电传感器（加速度计）第三种结构形式与前两种相同，原理也相同，所不同的是其敏感元件的安装方向倒置了。所以，对于同一加速度输入，其响应极性正好相反，即轴向灵敏度的方向相反。前两种型式的传感器结构如图2。

图2 压缩式电传感器结构图

它们由预紧弹簧、惯性质量、压电晶体片、垫片、连杆、锁紧螺母、壳体和基座等组成。当固定在被测物体上的传感器随物体运动时，其惯性质量块产生惯性作用力作用在压电晶体片上，压电晶体片产生与此作用力成比例的变形，由于压电晶体片的压电效应，便产生与压电元件变形成比例的电荷，此信号由输出端引出。在此传感器中，压电晶体片既是敏感元件又是弹性元件。一般把压电晶体片看成无质量的弹簧。惯性质量块为绝对刚性。预紧弹簧与垫片的质量均忽略不计。所以该传感器可简化成单自由度系统，见图3，其固有频率为：

式中： K为圆板形压电晶体片的刚度；ms为惯性质量块的质量；E为压电晶体片的杨氏模量；D为压电晶体片的直径；t为各晶体片的厚度；mb为传感器基座和壳体的质量。

图3 压缩式电传感器原理图

m-惯性质量；s-弹簧；b-基座

所谓压电传感器的轴向灵敏度就是在一定条件下其指定的电输出量与轴向指定的机械输入量的比值，即：

检查灵敏度幅值线性度时，传感器灵敏度的方向性可根据外加轴向机械运动的方向而定；若外加运动使惯性块惯性力方向指向传感器的基座时，输出灵敏度方向为正向，若外加运动使惯性质量块的惯性力方向背向传感器基座时，输出灵敏度为负向。例如将压电传感器固定在跌落冲击台的上安装台面时，在冲击时产生的灵敏度为正向，若将压电传感器固定在其下安装台面时，冲击时产生的灵敏度为负向。而对于倒置中心安装式传感器的灵敏度刚好相反。