摘要：近年來壓電式加速度傳感器得到了較大的發(fā)展，本文重點(diǎn)闡述了壓電式加速度傳感器的原理及其構(gòu)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(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)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(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。
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(nèi)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?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鳌＝?jīng)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(gòu)成元件
圖一 壓電式加速度計(jì)
常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖一所示。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)。圖一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。圖一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。圖一b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計(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，因此最高工作溫度受到限制。
三、壓電式加速度傳感器幅頻特性
圖二 壓電式加速度計(jì)的幅頻特性曲線
加速度計(jì)的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率圖（圖二）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計(jì)，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(jì)的固定狀況有關(guān)，加速度計(jì)出廠時(shí)給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實(shí)際使用的固定方法往往難于達(dá)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(jì)與試件的各種固定方法見 圖三。
圖三 加速度計(jì)的固定方法
其中圖三a采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達(dá)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(jì)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(shí)可用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計(jì)（圖三b），但墊圈應(yīng)盡量簿。用一層簿蠟把加速度計(jì)粘在試件平整表面上（圖三c），也可用于低溫（40℃以下）的場合。手持探針測振方法（圖三d）在多點(diǎn)測試時(shí)使用特別方便，但測量誤差較大，重復(fù)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(jì)（圖三e），使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計(jì)與試件絕緣。用硬性粘接螺栓（圖三f）或粘接劑（圖三g）的固定方法也長使用。某種典型的加速度計(jì)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(jì)的靈敏度 壓電加速度計(jì)屬發(fā)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(jì)輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計(jì)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(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g= 9.80665m/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(biāo)出。對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計(jì)尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。
壓電晶體加速度計(jì)的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計(jì)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(jì)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(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3％。因此，壓電式加速度計(jì)在測試時(shí)具有明顯的方向性。
五、壓電式加速度傳感器誤差形成因素分析
壓電加速度計(jì)的前置放大器 壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導(dǎo)體充電 到電壓U=q/Ca（這里Ca是加速度計(jì)的內(nèi)電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測量電路和加速度計(jì)本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)，壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大 器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴。
從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實(shí)際上由于低頻尤其小振幅振動時(shí)，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動速度和位 移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實(shí)際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。
六、壓電式加速度傳感器的實(shí)際應(yīng)用
目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。
概括起來，加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。
參考文獻(xiàn):
[1] 黃繼昌,徐巧魚,張海貴,等. 傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M] .北京:人民郵電出版社,1998. 160.
[2] 雷玉堂,王慶有. 光電檢測技術(shù)[M] .北京:中國計(jì)量出版社,1997. 236 - 238.
[3] 張國忠,趙家貴. 檢測技術(shù)[M] .北京:中國計(jì)量出版社,1998.378 -382.
壓電式加速度傳感器咨詢熱線：010-84775646，84775648.
