壓縮式壓電加速度傳感器簡介

　　1 傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。

　　常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖1。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖1（a）是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時(shí)，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(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化， 易引起溫度漂移。圖1（b）為環(huán)形剪切型結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率和加速度計(jì)，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)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(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)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。

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　　圖1 壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式圖

　　就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言，壓縮式壓電傳感器（加速度計(jì)）第三種結(jié)構(gòu)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，對于同一加速度輸入，其響應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖2。

　　圖2 壓縮式電傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　它們由預(yù)緊彈簧、慣性質(zhì)量、壓電晶體片、墊片、連桿、鎖緊螺母、殼體和基座等組成。當(dāng)固定在被測物體上的傳感器隨物體運(yùn)動時(shí)，其慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性作用力作用在壓電晶體片上，壓電晶體片產(chǎn)生與此作用力成比例的變形，由于壓電晶體片的壓電效應(yīng)，便產(chǎn)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(zhì)量的彈簧。慣性質(zhì)量塊為絕對剛性。預(yù)緊彈簧與墊片的質(zhì)量均忽略不計(jì)。所以該傳感器可簡化成單自由度系統(tǒng)，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(zhì)量塊的質(zhì)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(zhì)量。

　　圖3 壓縮式電傳感器原理圖

　　m-慣性質(zhì)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(jī)械輸入量的比值，即：

　　檢查靈敏度幅值線性度時(shí)，傳感器靈敏度的方向性可根據(jù)外加軸向機(jī)械運(yùn)動的方向而定；若外加運(yùn)動使慣性塊慣性力方向指向傳感器的基座時(shí)，輸出靈敏度方向?yàn)檎?，若外加運(yùn)動使慣性質(zhì)量塊的慣性力方向背向傳感器基座時(shí)，輸出靈敏度為負(fù)向。例如將壓電傳感器固定在跌落沖擊臺的上安裝臺面時(shí)，在沖擊時(shí)產(chǎn)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(shí)，沖擊時(shí)產(chǎn)生的靈敏度為負(fù)向。而對于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(guī)定的加速度范圍內(nèi)檢查傳感器的靈敏度隨不同加速度的變化情況。幅值線性度可以采用諧振梁法和沖擊法進(jìn)行檢查。沖擊法比諧振梁法可達(dá)到的最大加速度值高得多，現(xiàn)介紹沖擊法試驗(yàn)的情況。

　　把被檢定的壓電傳感器先后固定在G-1000型沖擊裝置的沖錘臺面上或下面，當(dāng)檢查正向靈敏度時(shí)，將傳感器正向固定在沖錘之上；當(dāng)檢查負(fù)向靈敏度時(shí)，則將它反向固定在沖錘之下。壓電傳感器的輸出信號均經(jīng)同一臺B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然后由同一臺2606型測量放大器再放大并指出峰值，因而排除了二次測量儀表的不同而產(chǎn)生的影響。該沖擊裝置在某一高度多次跌落沖錘時(shí)產(chǎn)生的加速度重復(fù)性較好；由于壓電式加速度計(jì)的質(zhì)量差異不大，在安裝一只加速度計(jì)的情況，對于同一跌落高度，不同傳感器對沖錘加速度的影響可忽略不計(jì)。通過測試發(fā)現(xiàn)，在同一跌落高度，當(dāng)改變被測傳感器時(shí)，沖擊加速度的增長（或持續(xù)）時(shí)間也不變。因此只采用改變沖錘跌落高度的方法控制沖擊加速度幅值。

　　加速度幅值線性度可根據(jù)最小二乘法計(jì)算，其值為：

　　式中：So為截距；S為在加速度為a時(shí)的靈敏度。

　　對于幾種加速度計(jì)的測試結(jié)果示于表1。可以發(fā)現(xiàn)，對不同的壓縮式傳感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當(dāng)輸入加速度值較小時(shí)，加速度計(jì)的幅值線性度、重復(fù)性和穩(wěn)定性都較好；當(dāng)輸入加速度值較高時(shí)（ 大于1 000 m／s2），這些性能變差。對于同一只傳感器，其正向與反向靈敏度有差異，發(fā)現(xiàn)有兩方面的問題 ： （1）當(dāng)輸入加速度幅值不太高時(shí)，傳感器的正向靈敏度可以大于也可能小于其反向靈敏度，隨不同的傳感器而異；（2）當(dāng)輸入加速度幅值較大時(shí)，傳感器的正向與反向靈敏度的差值隨之增加。當(dāng)加速度幅值增加到某個(gè)量值時(shí)，其反向靈敏度出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，即再繼續(xù)增加輸入加速度幅值時(shí)，傳感器的靈敏度變化不大或無變化。此時(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，我國生產(chǎn)的壓縮式傳感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測量范圍也較小。相反，當(dāng)輸入加速度幅值增大到一定程度時(shí)，傳感器的正向靈敏度不正常，甚至?xí)?dǎo)致傳感器損壞，這時(shí)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(qū)間稱為傳感器的測量加速度范圍。

　　表1 幾種加速度計(jì)的測量結(jié)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(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的變換器。因?yàn)樗哂腥舾蓛?yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動與沖擊參量的測量。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(shù)有數(shù)個(gè)，其中主要是靈敏度。按照一般檢定規(guī)程規(guī)定，要求采用沖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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不夠確切，只是泛指幅值線性度。實(shí)質(zhì)上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對于有正負(fù)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沖擊情況（即測量負(fù)脈沖沖擊加速度），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(yīng)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(shù)據(jù)。在我國，壓縮式壓電傳感器的使用和生產(chǎn)量較大，為此，談?wù)剦嚎s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(yīng)情況有關(guān)。實(shí)際上，傳感器是多自由度系統(tǒng)，可等效為圖4所示的系統(tǒng)。影響系統(tǒng)響應(yīng)的因素很多，如預(yù)緊彈簧、慣性質(zhì)量、壓電晶體片、墊片、連桿、基座 、鎖緊螺母等的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材料性質(zhì)有關(guān)。對于給定的傳感器，這些因素就固定了。則某個(gè)傳感器正反向靈敏度的差異及反向靈敏度的“飽和現(xiàn)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(guān)。

　　圖4 壓電傳感器的等效示意圖

　　m-慣性質(zhì)量；P