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傳感器原理設計與應用課程學年論文
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壓電式加速度傳感器及其應用
摘要：近年來壓電式加速度傳感器得到了較大的發展，本文重點闡述了壓電式加速度傳感器的原理及其構成元件，分析了其頻率特性和靈敏度，探究了其誤差形成因素，概述了其在工程控制領域中的實際應用。
一、 壓電式加速度傳感器原理
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。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于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。 為此，通常把傳感器信號先輸到高輸入阻抗的前置放大器。經過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示 儀表或記錄器。
二、壓電式加速度傳感器構成元件
(a)中心安裝壓縮型 (b)環形剪切型 (c) 三角剪切型
圖13.18? 壓電式加速度計
常用的壓電式加速度計的結構形式如圖13.18所示。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖13.18a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，并使預緊力發生變化， 易引起溫度漂移。圖13.18c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。圖13.18b為環形剪切型，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。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。
三、壓電式加速度傳感器幅頻特性
圖13.19 壓電式加速度計的幅頻特性曲線
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加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率圖（圖13.19）。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于1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB（即6%），相移小于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接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難于達到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。加速度計與試件的各種固定方法見 圖13.20。
圖13.20? 加速度計的固定方法
其中圖13.20a采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計（圖13.20b），但墊圈應盡量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上（圖13.20c），也可用于低溫（40℃以下）的場合。手持探針測振方法（圖13.20d）在多點測試時使用特別方便，但測量誤差較大，重復性差，使用上限頻率一般不高于 1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計（圖13.20e），使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓（圖13.20f）或粘接劑（圖13.20g）的固定方法也長使用。某種典型的加速度計采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。
四、壓電式加速度傳感器的靈敏度
壓電式加速度計的靈敏度?壓電加速度計屬發電型傳感器，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；后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.m/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作為加速度單位并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響應特性之間的利弊。
壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）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于主靈敏度的
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