壓電式加速度感測器

壓電式加速度感測器是基於壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。

壓電式加速度感測器壓電式加速度計的結構和安裝壓電式加速度計的結構形式

常用的壓電式加速度計的結構形式如圖。S是彈簧，M是質量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件—質量塊—彈簧系統裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環境溫度變化將影響壓電元件，並使預緊力發生變化，易引起溫度漂移。圖c為三角剪切形，壓電元件由夾持環將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應力。這種結構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b為環形剪切型，結構簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由於粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。

加速度計的使用上限頻率取決於幅頻曲線中的共振頻率

一般小阻尼（z<=0.1）的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的1/3，便可保證幅值誤差低於1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小於0.5dB（即6%），相移小於30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難於達到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。加速度計與試件的各種固定方法見圖。

其中採用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達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，影響加速度計的輸出。在安裝面上塗一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和雲母墊片來固定加速度計，但墊圈應盡量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上，也可用於低溫（40℃以下）的場合。手持探針測振方法，在多點測試時使用特別方便，但測量誤差較大，重複性差，使用上限頻率一般不高於1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計，使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓或粘接劑的固定方法也長使用。某種典型的加速度計採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，雲母墊片28kHz，塗簿蠟層29kHz，手持法2kHz，永久磁鐵固定法7kHz。

壓電加速度計屬發電型感測器，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。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；後者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。加速度單位為m/s^2，但在振動測量中往往用標準重力加速度g作單位，1g=9.80665m/s^2。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作為加速度單位並在儀器的板面上和說明書中標出。

對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率響應特性之間的利弊。

壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直於加速度計軸線）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標出最小橫向靈敏度方向，一個優良的加速度計的橫向靈敏度應小於主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。

壓電元件受力后產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體充電到電壓U=q/Ca（這裡Ca是加速度計的內電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內。

壓電式感測器的前置放大器有：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，適用於一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。

從壓電式感測器的力學模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由於低頻尤其小振幅振動時，加速度值小，感測器的靈敏度有限，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（用於測振動速度和位移）、器件的雜訊都是不可避免的，所以實際低頻端也出現“截止頻率”，約為0.1～1Hz左右。

秦皇島市恆科科技有限公司生產的壓電式加速度感測器型號：HK9101-J指標如下靈敏度：~35pC/g

測量範圍：-100g~+100g

頻率範圍：0.2~8000Hz

安裝諧振頻率：~28kHz（鋼螺栓固定）

最大橫向靈敏度比：<5%

質量：19克

安裝螺栓：M5

頂、側端兩種引線方式，感測器外殼對地絕緣。

在現代生產生活中被應用於許許多多的方面，如手提電腦的硬碟抗摔保護，目前用的數碼相機和攝像機里，也有加速度感測器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，並根據這些振動，自動調節相機的聚焦。壓電加速度感測器還應用於汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面。