2.壓電型加速度傳感器

2.1 特  長

壓電型加速度傳感器由于具有很多特長，在振動檢測領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用。其最大的特點(diǎn)就是相對重量來說具有頻域廣、靈敏度高。在寬頻帶沖擊試驗(yàn)檢測中，可以將頻域內(nèi)含有廣泛的頻率成分的原始波形不失真地檢測到。另外，由于靈敏度高及構(gòu)造上的高機(jī)械強(qiáng)度，其對應(yīng)的動態(tài)范圍也比較廣。

還有一個(gè)特長，該型傳感器內(nèi)部是電荷響應(yīng)型的壓電體感振素子，對DC成分的峰值是沒有辦法維持的，所以壓電型加速度傳感器是沒有靜態(tài)靈敏度的。因此，通過積分器求速度或位移的話，不需要考慮零點(diǎn)偏移的誤差，使用起來相對比較方便。

  ●同種重量下，靈敏度高（和其他類型加速度傳感器相比）；

  ●固有共振頻率可以設(shè)計(jì)的很高，可寬頻域?qū)?yīng)；

  ●機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)且高靈敏度，動態(tài)范圍廣；

  ●電荷響應(yīng)型，沒有靜態(tài)靈敏度；

  ●利用壓電效應(yīng)，不需要外部電源；

  ●原理上沒有阻尼，時(shí)間上響應(yīng)特性優(yōu)秀；

  ●沒有煩瑣的基準(zhǔn)點(diǎn)等設(shè)置，安裝后即可檢測。

2.2 壓 電 效 應(yīng)（壓 電 效 果）

  構(gòu)成固體物質(zhì)的原子或離子在三維空間規(guī)則排列的話，稱其為結(jié)晶。按照結(jié)晶的原子或離子的對稱性，分為32種晶族。人們發(fā)現(xiàn)，里面20種晶族的結(jié)晶具有壓電性。

  水晶、洛瑟爾氏鹽、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料【Pb（Zr·Ti）O3】等20晶族所屬的結(jié)晶，在受到壓力、張力、剪切力后會產(chǎn)生變形，介質(zhì)分極發(fā)生從而產(chǎn)生電場（正效果）。相反的，在結(jié)晶上加電場，結(jié)晶產(chǎn)生變形發(fā)生應(yīng)力（逆效果）。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)（效果），帶有壓電性的結(jié)晶稱為壓電體。

 壓電體上有應(yīng)力T及變形S（機(jī)械量）、電場E及電氣位移D（電氣量）等相結(jié)合產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這種電氣和機(jī)械相結(jié)合的性質(zhì)，現(xiàn)在在加速度傳感器上得到實(shí)現(xiàn)，在各方面得到廣泛應(yīng)用。

 壓電效應(yīng)可以通過壓電方程式表示，以T和E為獨(dú)立變量，

以T和D為獨(dú)立變量，

式中，ε：介電常數(shù)、Cs：柔量電容。上式中的d稱為d常數(shù)（等價(jià)壓電常數(shù)），g稱為g常數(shù)（電壓輸出常數(shù)），定義如下，

另外，被分極處理的多結(jié)晶壓電體有下列關(guān)系，（S：變形、E：電場強(qiáng)度、Q：電荷、F：力、T：應(yīng)力）

所以d和g的關(guān)系為

上式d、g常數(shù)為3階張量，帶有18種方向，大致可以分為以下4種。（?。┖碗妶鲚S直角方向的伸縮，（ⅱ）和電場軸平行方向的伸縮，（ⅲ）和電場軸直角面內(nèi)的滑移，（ⅳ）和電場軸平行面內(nèi)的滑移。

2.3 原 理

壓電型加速度傳感器主要利用壓電效果，針對用途按照前述效應(yīng)進(jìn)行分類應(yīng)用。有構(gòu)造上利用高機(jī)械強(qiáng)度，不只沖擊檢測等方面其他方面也廣泛被使用的壓縮型（縱效果）；對溫度瞬變或溫度變化引起的焦電效應(yīng)基本不受影響的剪切型（厚度滑移效果）；低頻域高靈敏度對應(yīng)的懸垂型（橫效果）。各類型的構(gòu)造如圖2.3.1所示，壓電體上施加的應(yīng)力方向有多不同，基本原理都是相同的。

接下來，僅以上下運(yùn)動方向的場合進(jìn)行說明。圖2.3.2（a）和（b）為其數(shù)學(xué)模型，k為彈性系數(shù)，D為空氣阻尼或其他一些減衰性阻尼。圖（a）中，基座受位移為x0向上加速度a0的力，k如圖（b）壓縮，位移為y，此時(shí)，質(zhì)量塊m受力為

利用牛頓第二定律，式2.3.1變?yōu)?

對于十分低于彈性質(zhì)量系（質(zhì)量塊·壓電體·基座）的固有共振頻率的頻率，式2.3.2中，加速度傳感器受到的a0和壓電體受到的慣性力F=ma直接成比例，且和頻率是沒有關(guān)系的。

 于是，慣性力F在壓縮型的場合，壓電體在縱向受到力而變形，此時(shí)發(fā)生的電荷如下式所示，

上式中，d33，m一定，Q對于加速度a0成正比例關(guān)系。通過壓電體的靜電容量C，電荷Q變化為電壓V。

因?yàn)?Q = CV，所以

靜電容量C是一定的，由此可見，a0和V是成一次正比例關(guān)系。

  綜上所述，壓電型加速度傳感器基座受到的加速度最終會轉(zhuǎn)變電壓輸出。電荷和電壓的輸出都和加速度成正比，檢測時(shí)，通過電壓大小便可知道加速度大小。一般電荷輸出稱為電荷靈敏度，電壓輸出稱為電壓靈敏度。