压缩式压电加速度传感器的研究

周世雄 覃正平 蒋金悦 蒋述良

摘 要：经过研究叙述压缩式压电加速度传感器的基本结构和原理。表达出了压缩式压电加速度传感器灵敏度的线性度问题，表述传感器反向正向灵敏度的区别和"饱和现象"，方便在生产、判定与利用时加以注意。压缩压电加速度计又称压缩压电加速度计，也属于压缩惯性传感器。它利用了一些物体的压电效应，如石英晶体。当加速度计被压实振动时，由质量块对压电元件产生的力相应地变化。

关键词：压缩式；饱和现象；惯性物体；压力

1压缩式压电加速度传感器的结构及工作原理

1.1传感器结构分析

压缩式压电加速度传感器是：使运动方向朝上（因为弹簧的张力始终是向上的，结果是会出现一个向上的加速度）的加速度转变成可用于测量电信号的传感器，在频率范围内振动体近似遵守了牛顿第二定律，当它们传感器受压力震动时，与加速度相反的惯性力会影响上面的质量块，有一惯性质量块以一定的预紧力安装在双压电晶片上。质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，产生压电效应的压电片，会使传感器基座和试件刚性的表面出现交变电荷。

此类加速器具有体积小，重量轻等优点。坚固在传感器上的被测物体随之移动时，压电晶体片上的的惯性作用力是由其惯性质量块产生的，变形的比例是由作用力与质量快的晶体片形成的，形成的压电效应会与压电元件变形成比例的电荷由输出端引出所产生量，没有重量的弹簧一般都可以用来作为压电晶体片绝对刚性的是惯性物体快，可以忽略质量不计的是垫片和预紧弹簧，所以这类传感器可以简化成单自由度系统。

1.2传感器工作原理

压缩式压电加速度传感器也称压缩压电加速度计。运用具有压电效应的石英晶体，使加速度计在受力振动时，在压电元件上的惯性质量快产生的力也随之变动。当加速度的固有频率远高于被测振动频率时，则被测减速带与力的变化成正比关系。

2正反向灵敏度

2.1正反向灵敏度的定义

它由某些性能对单位浓度或单位量待测物质变化所产生的影响量而引起的变化程度就叫做灵敏度。验证灵敏度的方法有校准曲线斜率法和分光光度法。不同变革的实验条件因素对灵敏度的检测方法有很大的影响。因此这个灵敏度在一定的实验条件影响下有相对立的稳定性。

验证方法：通过校准曲线可以是仪器响应以及被测物质的浓度或固定链接，使用类型根据其线性部分：B = y + B（类型：B -仪器响应值，y被测物质的浓度；B -校准曲线的截距；X方法，灵敏度校准曲线的斜率）

2.2正反向灵敏度对压缩式压电加速度传感器的影响

外加加速度非常小时的效果不明显是因为预紧弹簧的刚度比交接刚度小得多，导致压缩式压电加速度传感器的正反向灵敏度的幅值线性度趋于一致；反过来，外加加速度变得非常大时，接触刚度又会开始作用，但是接触刚度是属于非线性变化的物理量，所以会使传感器的线性变得不好进而导致其正反向灵敏度的幅值线性度相差较大。总而言之，传感器的长期稳定性是由接触刚度导致的。

3 压缩式压电传感器的正反向灵敏度的幅值线性度问题的分析

3.1正反向灵敏度的差异

各部件之间的接触刚度不同和变动是导致正反向灵敏度差异的主要罪魁祸首。因为相互之间存在着一种接触刚度导致弹性元件和刚性元件处在不理想的状态。压电晶体片上层金属膜的厚度、均匀度、光洁度的差异和紧固螺纹的不同是因为每个零件加工的光洁度不同。还有各部件间的接触刚度不同是由于装配过程装设部件的相对位置不同和装备力矩的差别。所以说压缩式压电加速度传感器的灵敏度幅值线性度之所以有差别就是接触刚度和有效刚度导致的。

3.2“饱和现象”

弹簧的预紧力不够大产生了“饱和现象”，如果改用一个预紧力比较大的弹簧，那么会产生一个指向基座惯性力使压电晶体片上的压缩力变大是因为基座有朝上的加速运动，而惯性物体快有向下运动的趋势。

传感器基座在冲击震动过程中产生的最大动态应力要远小于预紧弹簧对惯性质量快的静态压力。但是预紧力不能无限度增高，因为在安设状态增大预紧力会导致压电晶体片受压力变大损坏。经过不断分析我们可以发现，在一定的差度范围内，正反向加速度灵敏度在被测加速度接近超过1000米每平方秒时幅值线性度会不好。进行反向灵敏度幅值线性度排检来减小反向冲击加速度的传感器的误差值。压缩式压电加速的的幅值线性度要求规格非常严格，所以为了解决这些问题，在相关的规定范围内进行正反向灵敏度的幅值线性度就比较合适了。

3.3正反向灵敏度的幅值线性度问题的分析

利用压电效应把机械能和电能相互转换的变换器就是压缩式压电加速度传感器。它在机械结构的的振动与冲击参量的测量有很大的市场。冲击法和谐振梁法是两种检查方法，但是检查的范围太广泛都不够精确，得不出想要的理想数据。单方检测传感器正向灵敏度幅值的线性度是不够的，也不足以检验传感器的“逆灵敏度线性度”，从而得到正確的计算数据。压缩式压电加速度传感器在我国的使用和生产量非常庞大，因此，压缩式压电传感器的正反向灵敏度的幅值线性度问题是一个非常值得去学习探讨的方向。

4压缩式压电加速度传感器的价值

4.1压缩式压电加速度传感器的优点

测量范围宽、质量轻和体积小既是压缩压电加速计的特点也是优点，由于优点很多，使用起来非常方便以至于在振动测量系统中非常受青睐。具有转换器的功能在转换方面更是受欢迎度很高，利用压电效应把机械能和电能相互转换的变换器就是压缩式压电加速度传感器。介绍了将振动加速度转换成电量测量振动的具体原理。根据工作原理的振动和电气特性，表述了在压缩式压电加速度计的基础上建立的振动测量系统的整体方案。系统主要采集振动信号。可以实时显示、存储、分析和处理运动信号。

4.2压缩式压电加速度传感器的缺点

（1）压缩式压电加速度传感器在工作中谐振频率很高，高达一定程度就会导致其容易受到声音的干扰，在声音的的干扰下，无法检测到相关的信号和频率，进而使压缩式压电加速度传感器工作频率变差，工作频率一旦变差。测出来的结果就会非常的不理想，这也是压缩式压电加速度传感目前很大的一个缺点；

（2）输出阻抗非常高，阻抗太大会间接影响电抗的性能，输出信号很弱，弱到信号传出非常少无法检测和感应，所以传感器输出的信号需要经过放大电路放大后才能送到检测电路检验，但是经过放大电路放大后信号会衰减掉一些，导致输出的信号会不完整。

小结：

经过以上对压缩式压电加速度传感的研究和探讨，总的来说，压缩式压电加速度传感器是一种由于惯性质量快和加速度以及振动力的作用影响而产生性能的，它的优点也很多，适用于工业、航天航空、制造业甚至是生活中去，无论是用在哪方面都非常方便和快捷，而且通过牛顿第二定律力的原理性就可以知道其实用性和适用范围。通过探究正反向灵敏度的幅值线性度，就可以解决压缩式压电加速度传感器的工作频率差，输出信号不明显的缺点。只有学习和了解了它的工作原理，才能更好的使用它。

努力探讨学习透彻压缩式压电加速度传感器，这对专业学习有很大的帮做，特别是跟自动化专业，因为很多专业课的学习和研究中都用到了传感器，特别是在工作、学习、生活上的种种生活用品，无不一一和传感器挂钩，只有深测学习了解研究它，才能不断提高自己的专业技能和综合素质，才能养成独立思考和解决实际问题的能力。

参考文献：

[1] 于治会.压缩式压电传感器轴向灵敏幅值线性度问题

[2] 董高庆.压电加速度计的原理结构及其使用

[3] 唐文彦.传感器

作者简介：

周世雄（1995.04.19）；男，广西博白人；民族：汉；学历：本科在读。