壓電式加速度傳感器應用

來源：羅姆半導體社區(qū)

壓電式加速度傳感器是一種自發(fā)式傳感器，其輸出電荷與所感受的加速度成正比。它具有精確度高、頻響寬、動態(tài)范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長、易于安裝、穩(wěn)定性好等特點。目前常用的是鐵電材料，這是一種經(jīng)過人工極化處理而具有壓電性質(zhì)的人工陶瓷，采用良好的配制燒結(jié)工藝可以得到很高的壓電靈敏度和工作溫度，經(jīng)過老化處理后可以保證長期溫度穩(wěn)定性，它易于制成各種形狀的敏感元件，已先后制成了各種結(jié)構(gòu)形式的加速度傳感器。每種加速度傳感器技術(shù)都有其優(yōu)缺點。在作出選擇之前，明確它們的區(qū)別和應用條件是非常重要的。本文將幫助讀者正確的選擇加速度傳感器。

一、基本的壓電式加速度傳感器類型

總的來說有兩類壓電式加速度傳感器:交流響應壓電式加速度傳感器和直流響應壓電式加速度傳感器。交流響應壓電式加速度傳感器的輸出是交流耦合的。此類傳感器不能用來測試靜態(tài)的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們僅適合測量動態(tài)事件。而直流響應壓電式加速度傳感器，具有直流耦合輸出，能夠響應低至0赫茲的加速度信號。因此直流響應壓電式加速度傳感器適合同時測試靜態(tài)和動態(tài)的加速度。并不是只有需要測試靜態(tài)加速度時才選擇直流響應壓電式加速度傳感器。

二、現(xiàn)在我們看看各種常用的壓電式加速度傳感器技術(shù)。

交流響應壓電式加速度傳感器最常用的交流響應壓電式加速度傳感器是采用壓電元件作為其敏感單元的。當有加速度輸入時，傳感器中的檢測質(zhì)量塊"移動"使壓電元件產(chǎn)生正比于輸入加速度的電荷信號。從電學角看，壓電元件如同一個有源的電容器，其內(nèi)阻在10x9歐姆級別。由內(nèi)阻和電容決定了RC時間常數(shù)，這也決定了傳感器的高頻通過特性。由于這個原因，壓式電加速度傳感器不能用于測量靜態(tài)事件。壓電元件可來自于自然界或人造。它們有不同的信號轉(zhuǎn)換效率和線性。

三、選擇壓電式加速度傳感器時的基本原則

選擇一般應用場合的壓電式加速度傳感器時，要從三個方面全面考慮：

振動量值的大小

作為一般的原則，靈敏度高的傳感器量程范圍小，反之靈敏度低的量程范圍大，而且一般情況下，靈敏度越高，敏感芯體的質(zhì)量塊越大，其諧振頻率也越低，如果諧振波疊加在被測信號上，會造成失真輸出，因此選擇時除了要注意在量程上保留足夠的安全空間外，還要注意分析被測信號頻率組成及傳感器自身諧振頻率。

2.信號頻率范圍

傳感器的高、低截止頻率與誤差直接相關(guān)，允許的誤差范圍越大其頻率范圍越寬。一般來說，傳感器高頻響應取決于機械特性，而低頻響應由傳感器及其后繼電路綜合電參數(shù)決定，頻率截止高的傳感器必然是體積小重量輕，反之用于低頻測量的一般都體積大重量重。

3.測試現(xiàn)場環(huán)境

現(xiàn)場環(huán)境中對傳感器影響較大的是溫度，而ICP傳感器由于受供電電壓和偏置電壓的制約，在非室溫條件中，傳感器偏置電壓很可能會不斷緩慢漂移造成信號忽大忽小，所以一般非室溫環(huán)境下不推薦使用ICP型傳感器。（尤其注意ICP傳感器使用中不要長時間手握，否則很容易造成此類現(xiàn)象）。

四、市場上有兩類壓電加速度傳感器-電荷輸出型，電壓輸出型。

電荷輸出型加速度傳感器主要的壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度范圍，寬的動態(tài)量程，寬的頻率范圍(可用頻率>10kHz)。電荷輸出型加速度傳感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。由于具有抵抗嚴酷環(huán)境的能力，其具有非常好的耐久性。由于其具有很高的阻抗，該傳感器需要配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，最好是同軸電纜。低噪音電纜是指指其具有低的摩擦電噪聲，這是一種運動產(chǎn)生的來自電纜本身的噪聲。很多傳感器廠家同時提供這種低噪聲電纜。電荷放大器和電荷輸出型加速度傳感器連接，從而可以消除電纜電容和傳感器電容并聯(lián)帶來的影響。配合先進的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很容易實現(xiàn)寬的動態(tài)響應(>120dB)。由于壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，有些傳感器可以用于-200°C到+400°C，甚至更寬溫度的環(huán)境。它們特別適合極限溫度下的振動測試，如渦輪引擎的監(jiān)測。

電壓輸出型加速度傳感器另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號而不是電荷信號。這種傳感器的內(nèi)部包含了電荷放大器。電壓模式的傳感器有3線式(信號，地，電源)和2線式(信號/電源，地)。2線式又被稱為集成電路式壓電傳感器(IEPE)。由于可以方便的采用同軸線(2線，芯線和屏蔽線)連接，IEPE非常流行。該模式下，交流信號疊加在直流電源上。在輸出端串聯(lián)一個耦合電容能夠去掉傳感器的直流偏置電壓，從而僅獲得傳感器信號輸出。許多現(xiàn)代儀器提供IEPE/ICP輸入接口，從而可以和IEPE傳感器直接連接。

如果IEPE供電接口不可用，需要一個帶有恒流源的信號放大器和IEPE傳感器一期使用。3線式傳感器則需要一根單獨的直流電源線供電。與電荷輸出型加速度傳感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳感器包含一個微型電路，電路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過125°C。也有一些設(shè)計提高到了175°C，但其在其它性能方面會有所下降?？捎脛討B(tài)范圍-由于壓電陶瓷元件具有極寬的動態(tài)范圍，電荷輸出型加速度傳感器在量程定義上顯得十分靈活，因為其滿量程可以通過遠程的電荷放大器由用戶自由調(diào)節(jié)。而電壓輸出型加速度傳感器具有既定的滿量程，其決定于內(nèi)部的電荷放大器，一旦由工廠生產(chǎn)出來，將不再能改變。

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審核編輯黃昊宇