【摘要】簡(jiǎn)述了壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理。說明了該傳感器靈敏度的線性度問題，分析了其正向反向靈敏度的差異與“飽和現(xiàn)象”，以便在生產(chǎn)、鑒定與使用時(shí)加以注意。
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(cè)振動(dòng)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(cè)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(cè)試對(duì)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(cè)試對(duì)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(jiǎn)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(huì)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(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(cè)物體上的傳感器隨物體運(yùn)動(dòng)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(hào)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(duì)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(jiǎn)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(dòng)的方向而定；若外加運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(tái)的上安裝臺(tái)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(tái)面時(shí)，沖擊時(shí)產(chǎn)生的靈敏度為負(fù)向。而對(duì)于倒置中心安裝式傳感器的靈敏度剛好相反。