壓電加速度計原理技術

壓電加速度計是基於壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去除後，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。

基本介紹

• 中文名：壓電加速度計原理技術
• 外文名：Principle of Piezoelectric Accelerometer
• 領域：導航
• 工作原理：壓電效應
• 別稱：壓電式加速度感測器原理技術
• 相關名詞：前置放大器

簡介

壓電加速度計又稱壓電式加速度感測器，它也屬於慣性式感測器。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。

工作原理

壓電加速度計是基於壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去除後，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。

構成

常用的壓電式加速度計的結構形式如圖。S是彈簧，M是質量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖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，支柱與基座連線。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連線時，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c為三角剪下形，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。圖b為環形剪下型，結構簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，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，因此最高工作溫度受到限制。

特性曲線

加速度計的使用上限頻率取決於幅頻曲線中的共振頻率。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的 1/3，便可保證幅值誤差低於1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小於0.5dB（即6%），相移小於30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連線的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難於達到剛性連線，因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。

靈敏度

壓電加速度計屬發電型感測器，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。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；後者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。 加速度單位為m/s2，但在振動測量中往往用標準重力加速度g作單位，1g= 9.80665m/s2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有 測振儀器都用g作為加速度單位並在儀器的板面上和說明書中標出。

對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率回響特性之間的利弊。

壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直於加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向，一個優良的加速度計的橫向靈敏度應小於主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。

壓電加速度計前置放大器

壓電元件受力後產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體充電 到電壓U=q/Ca（這裡Ca是加速度計的內電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸 入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內。

壓電式感測器的前置放大器有：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。其電路比較簡單，但輸出受連線電纜對地電容的影響，適用於一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。

從壓電式感測器的力學模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由於低頻尤其小振幅振動時，加速度 值小，感測器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用於測振動速度和位 移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。