壓縮式壓電加速度傳感器的研究

周世雄 覃正平 蔣金悅 蔣述良

摘 要：經過研究敘述壓縮式壓電加速度傳感器的基本結構和原理。表達出了壓縮式壓電加速度傳感器靈敏度的線性度問題，表述傳感器反向正向靈敏度的區別和"飽和現象"，方便在生產、判定與利用時加以注意。壓縮壓電加速度計又稱壓縮壓電加速度計，也屬于壓縮慣性傳感器。它利用了一些物體的壓電效應，如石英晶體。當加速度計被壓實振動時，由質量塊對壓電元件產生的力相應地變化。

關鍵詞：壓縮式；飽和現象；慣性物體；壓力

1壓縮式壓電加速度傳感器的結構及工作原理

1.1傳感器結構分析

壓縮式壓電加速度傳感器是：使運動方向朝上（因為彈簧的張力始終是向上的，結果是會出現一個向上的加速度）的加速度轉變成可用于測量電信號的傳感器，在頻率范圍內振動體近似遵守了牛頓第二定律，當它們傳感器受壓力震動時，與加速度相反的慣性力會影響上面的質量塊，有一慣性質量塊以一定的預緊力安裝在雙壓電晶片上。質量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，產生壓電效應的壓電片，會使傳感器基座和試件剛性的表面出現交變電荷。

此類加速器具有體積小，重量輕等優點。堅固在傳感器上的被測物體隨之移動時，壓電晶體片上的的慣性作用力是由其慣性質量塊產生的，變形的比例是由作用力與質量快的晶體片形成的，形成的壓電效應會與壓電元件變形成比例的電荷由輸出端引出所產生量，沒有重量的彈簧一般都可以用來作為壓電晶體片絕對剛性的是慣性物體快，可以忽略質量不計的是墊片和預緊彈簧，所以這類傳感器可以簡化成單自由度系統。

1.2傳感器工作原理

壓縮式壓電加速度傳感器也稱壓縮壓電加速度計。運用具有壓電效應的石英晶體，使加速度計在受力振動時，在壓電元件上的慣性質量快產生的力也隨之變動。當加速度的固有頻率遠高于被測振動頻率時，則被測減速帶與力的變化成正比關系。

2正反向靈敏度

2.1正反向靈敏度的定義

它由某些性能對單位濃度或單位量待測物質變化所產生的影響量而引起的變化程度就叫做靈敏度。驗證靈敏度的方法有校準曲線斜率法和分光光度法。不同變革的實驗條件因素對靈敏度的檢測方法有很大的影響。因此這個靈敏度在一定的實驗條件影響下有相對立的穩定性。

驗證方法：通過校準曲線可以是儀器響應以及被測物質的濃度或固定鏈接，使用類型根據其線性部分：B = y + B（類型：B -儀器響應值，y被測物質的濃度；B -校準曲線的截距；X方法，靈敏度校準曲線的斜率）

2.2正反向靈敏度對壓縮式壓電加速度傳感器的影響

外加加速度非常小時的效果不明顯是因為預緊彈簧的剛度比交接剛度小得多，導致壓縮式壓電加速度傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度趨于一致；反過來，外加加速度變得非常大時，接觸剛度又會開始作用，但是接觸剛度是屬于非線性變化的物理量，所以會使傳感器的線性變得不好進而導致其正反向靈敏度的幅值線性度相差較大。總而言之，傳感器的長期穩定性是由接觸剛度導致的。

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

3.1正反向靈敏度的差異

各部件之間的接觸剛度不同和變動是導致正反向靈敏度差異的主要罪魁禍首。因為相互之間存在著一種接觸剛度導致彈性元件和剛性元件處在不理想的狀態。壓電晶體片上層金屬膜的厚度、均勻度、光潔度的差異和緊固螺紋的不同是因為每個零件加工的光潔度不同。還有各部件間的接觸剛度不同是由于裝配過程裝設部件的相對位置不同和裝備力矩的差別。所以說壓縮式壓電加速度傳感器的靈敏度幅值線性度之所以有差別就是接觸剛度和有效剛度導致的。

3.2“飽和現象”

彈簧的預緊力不夠大產生了“飽和現象”，如果改用一個預緊力比較大的彈簧，那么會產生一個指向基座慣性力使壓電晶體片上的壓縮力變大是因為基座有朝上的加速運動，而慣性物體快有向下運動的趨勢。

傳感器基座在沖擊震動過程中產生的最大動態應力要遠小于預緊彈簧對慣性質量快的靜態壓力。但是預緊力不能無限度增高，因為在安設狀態增大預緊力會導致壓電晶體片受壓力變大損壞。經過不斷分析我們可以發現，在一定的差度范圍內，正反向加速度靈敏度在被測加速度接近超過1000米每平方秒時幅值線性度會不好。進行反向靈敏度幅值線性度排檢來減小反向沖擊加速度的傳感器的誤差值。壓縮式壓電加速的的幅值線性度要求規格非常嚴格，所以為了解決這些問題，在相關的規定范圍內進行正反向靈敏度的幅值線性度就比較合適了。

3.3正反向靈敏度的幅值線性度問題的分析

利用壓電效應把機械能和電能相互轉換的變換器就是壓縮式壓電加速度傳感器。它在機械結構的的振動與沖擊參量的測量有很大的市場。沖擊法和諧振梁法是兩種檢查方法，但是檢查的范圍太廣泛都不夠精確，得不出想要的理想數據。單方檢測傳感器正向靈敏度幅值的線性度是不夠的，也不足以檢驗傳感器的“逆靈敏度線性度”，從而得到正確的計算數據。壓縮式壓電加速度傳感器在我國的使用和生產量非常龐大，因此，壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題是一個非常值得去學習探討的方向。

4壓縮式壓電加速度傳感器的價值

4.1壓縮式壓電加速度傳感器的優點

測量范圍寬、質量輕和體積小既是壓縮壓電加速計的特點也是優點，由于優點很多，使用起來非常方便以至于在振動測量系統中非常受青睞。具有轉換器的功能在轉換方面更是受歡迎度很高，利用壓電效應把機械能和電能相互轉換的變換器就是壓縮式壓電加速度傳感器。介紹了將振動加速度轉換成電量測量振動的具體原理。根據工作原理的振動和電氣特性，表述了在壓縮式壓電加速度計的基礎上建立的振動測量系統的整體方案。系統主要采集振動信號。可以實時顯示、存儲、分析和處理運動信號。

4.2壓縮式壓電加速度傳感器的缺點

（1）壓縮式壓電加速度傳感器在工作中諧振頻率很高，高達一定程度就會導致其容易受到聲音的干擾，在聲音的的干擾下，無法檢測到相關的信號和頻率，進而使壓縮式壓電加速度傳感器工作頻率變差，工作頻率一旦變差。測出來的結果就會非常的不理想，這也是壓縮式壓電加速度傳感目前很大的一個缺點；

（2）輸出阻抗非常高，阻抗太大會間接影響電抗的性能，輸出信號很弱，弱到信號傳出非常少無法檢測和感應，所以傳感器輸出的信號需要經過放大電路放大后才能送到檢測電路檢驗，但是經過放大電路放大后信號會衰減掉一些，導致輸出的信號會不完整。

小結：

經過以上對壓縮式壓電加速度傳感的研究和探討，總的來說，壓縮式壓電加速度傳感器是一種由于慣性質量快和加速度以及振動力的作用影響而產生性能的，它的優點也很多，適用于工業、航天航空、制造業甚至是生活中去，無論是用在哪方面都非常方便和快捷，而且通過牛頓第二定律力的原理性就可以知道其實用性和適用范圍。通過探究正反向靈敏度的幅值線性度，就可以解決壓縮式壓電加速度傳感器的工作頻率差，輸出信號不明顯的缺點。只有學習和了解了它的工作原理，才能更好的使用它。

努力探討學習透徹壓縮式壓電加速度傳感器，這對專業學習有很大的幫做，特別是跟自動化專業，因為很多專業課的學習和研究中都用到了傳感器，特別是在工作、學習、生活上的種種生活用品，無不一一和傳感器掛鉤，只有深測學習了解研究它，才能不斷提高自己的專業技能和綜合素質，才能養成獨立思考和解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1] 于治會.壓縮式壓電傳感器軸向靈敏幅值線性度問題

[2] 董高慶.壓電加速度計的原理結構及其使用

[3] 唐文彥.傳感器

作者簡介：

周世雄（1995.04.19）；男，廣西博白人；民族：漢；學歷：本科在讀。