壓縮式壓電加速度傳感器的研究

周世雄 覃正平 蔣金悅 蔣述良

摘 要：經(jīng)過研究敘述壓縮式壓電加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理。表達(dá)出了壓縮式壓電加速度傳感器靈敏度的線性度問題，表述傳感器反向正向靈敏度的區(qū)別和"飽和現(xiàn)象"，方便在生產(chǎn)、判定與利用時(shí)加以注意。壓縮壓電加速度計(jì)又稱壓縮壓電加速度計(jì)，也屬于壓縮慣性傳感器。它利用了一些物體的壓電效應(yīng)，如石英晶體。當(dāng)加速度計(jì)被壓實(shí)振動(dòng)時(shí)，由質(zhì)量塊對(duì)壓電元件產(chǎn)生的力相應(yīng)地變化。

關(guān)鍵詞：壓縮式；飽和現(xiàn)象；慣性物體；壓力

1壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1傳感器結(jié)構(gòu)分析

壓縮式壓電加速度傳感器是：使運(yùn)動(dòng)方向朝上（因?yàn)閺椈傻膹埩κ冀K是向上的，結(jié)果是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向上的加速度）的加速度轉(zhuǎn)變成可用于測(cè)量電信號(hào)的傳感器，在頻率范圍內(nèi)振動(dòng)體近似遵守了牛頓第二定律，當(dāng)它們傳感器受壓力震動(dòng)時(shí)，與加速度相反的慣性力會(huì)影響上面的質(zhì)量塊，有一慣性質(zhì)量塊以一定的預(yù)緊力安裝在雙壓電晶片上。質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，產(chǎn)生壓電效應(yīng)的壓電片，會(huì)使傳感器基座和試件剛性的表面出現(xiàn)交變電荷。

此類加速器具有體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。堅(jiān)固在傳感器上的被測(cè)物體隨之移動(dòng)時(shí)，壓電晶體片上的的慣性作用力是由其慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生的，變形的比例是由作用力與質(zhì)量快的晶體片形成的，形成的壓電效應(yīng)會(huì)與壓電元件變形成比例的電荷由輸出端引出所產(chǎn)生量，沒有重量的彈簧一般都可以用來作為壓電晶體片絕對(duì)剛性的是慣性物體快，可以忽略質(zhì)量不計(jì)的是墊片和預(yù)緊彈簧，所以這類傳感器可以簡(jiǎn)化成單自由度系統(tǒng)。

1.2傳感器工作原理

壓縮式壓電加速度傳感器也稱壓縮壓電加速度計(jì)。運(yùn)用具有壓電效應(yīng)的石英晶體，使加速度計(jì)在受力振動(dòng)時(shí)，在壓電元件上的慣性質(zhì)量快產(chǎn)生的力也隨之變動(dòng)。當(dāng)加速度的固有頻率遠(yuǎn)高于被測(cè)振動(dòng)頻率時(shí)，則被測(cè)減速帶與力的變化成正比關(guān)系。

2正反向靈敏度

2.1正反向靈敏度的定義

它由某些性能對(duì)單位濃度或單位量待測(cè)物質(zhì)變化所產(chǎn)生的影響量而引起的變化程度就叫做靈敏度。驗(yàn)證靈敏度的方法有校準(zhǔn)曲線斜率法和分光光度法。不同變革的實(shí)驗(yàn)條件因素對(duì)靈敏度的檢測(cè)方法有很大的影響。因此這個(gè)靈敏度在一定的實(shí)驗(yàn)條件影響下有相對(duì)立的穩(wěn)定性。

驗(yàn)證方法：通過校準(zhǔn)曲線可以是儀器響應(yīng)以及被測(cè)物質(zhì)的濃度或固定鏈接，使用類型根據(jù)其線性部分：B = y + B（類型：B -儀器響應(yīng)值，y被測(cè)物質(zhì)的濃度；B -校準(zhǔn)曲線的截距；X方法，靈敏度校準(zhǔn)曲線的斜率）

2.2正反向靈敏度對(duì)壓縮式壓電加速度傳感器的影響

外加加速度非常小時(shí)的效果不明顯是因?yàn)轭A(yù)緊彈簧的剛度比交接剛度小得多，導(dǎo)致壓縮式壓電加速度傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度趨于一致；反過來，外加加速度變得非常大時(shí)，接觸剛度又會(huì)開始作用，但是接觸剛度是屬于非線性變化的物理量，所以會(huì)使傳感器的線性變得不好進(jìn)而導(dǎo)致其正反向靈敏度的幅值線性度相差較大?？偠灾?，傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是由接觸剛度導(dǎo)致的。

3 壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題的分析

3.1正反向靈敏度的差異

各部件之間的接觸剛度不同和變動(dòng)是導(dǎo)致正反向靈敏度差異的主要罪魁禍?zhǔn)?。因?yàn)橄嗷ブg存在著一種接觸剛度導(dǎo)致彈性元件和剛性元件處在不理想的狀態(tài)。壓電晶體片上層金屬膜的厚度、均勻度、光潔度的差異和緊固螺紋的不同是因?yàn)槊總€(gè)零件加工的光潔度不同。還有各部件間的接觸剛度不同是由于裝配過程裝設(shè)部件的相對(duì)位置不同和裝備力矩的差別。所以說壓縮式壓電加速度傳感器的靈敏度幅值線性度之所以有差別就是接觸剛度和有效剛度導(dǎo)致的。

3.2“飽和現(xiàn)象”

彈簧的預(yù)緊力不夠大產(chǎn)生了“飽和現(xiàn)象”，如果改用一個(gè)預(yù)緊力比較大的彈簧，那么會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指向基座慣性力使壓電晶體片上的壓縮力變大是因?yàn)榛谐系募铀龠\(yùn)動(dòng)，而慣性物體快有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

傳感器基座在沖擊震動(dòng)過程中產(chǎn)生的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力要遠(yuǎn)小于預(yù)緊彈簧對(duì)慣性質(zhì)量快的靜態(tài)壓力。但是預(yù)緊力不能無限度增高，因?yàn)樵诎苍O(shè)狀態(tài)增大預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致壓電晶體片受壓力變大損壞。經(jīng)過不斷分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在一定的差度范圍內(nèi)，正反向加速度靈敏度在被測(cè)加速度接近超過1000米每平方秒時(shí)幅值線性度會(huì)不好。進(jìn)行反向靈敏度幅值線性度排檢來減小反向沖擊加速度的傳感器的誤差值。壓縮式壓電加速的的幅值線性度要求規(guī)格非常嚴(yán)格，所以為了解決這些問題，在相關(guān)的規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行正反向靈敏度的幅值線性度就比較合適了。

3.3正反向靈敏度的幅值線性度問題的分析

利用壓電效應(yīng)把機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的變換器就是壓縮式壓電加速度傳感器。它在機(jī)械結(jié)構(gòu)的的振動(dòng)與沖擊參量的測(cè)量有很大的市場(chǎng)。沖擊法和諧振梁法是兩種檢查方法，但是檢查的范圍太廣泛都不夠精確，得不出想要的理想數(shù)據(jù)。單方檢測(cè)傳感器正向靈敏度幅值的線性度是不夠的，也不足以檢驗(yàn)傳感器的“逆靈敏度線性度”，從而得到正確的計(jì)算數(shù)據(jù)。壓縮式壓電加速度傳感器在我國(guó)的使用和生產(chǎn)量非常龐大，因此，壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題是一個(gè)非常值得去學(xué)習(xí)探討的方向。

4壓縮式壓電加速度傳感器的價(jià)值

4.1壓縮式壓電加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)

測(cè)量范圍寬、質(zhì)量輕和體積小既是壓縮壓電加速計(jì)的特點(diǎn)也是優(yōu)點(diǎn)，由于優(yōu)點(diǎn)很多，使用起來非常方便以至于在振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中非常受青睞。具有轉(zhuǎn)換器的功能在轉(zhuǎn)換方面更是受歡迎度很高，利用壓電效應(yīng)把機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的變換器就是壓縮式壓電加速度傳感器。介紹了將振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換成電量測(cè)量振動(dòng)的具體原理。根據(jù)工作原理的振動(dòng)和電氣特性，表述了在壓縮式壓電加速度計(jì)的基礎(chǔ)上建立的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的整體方案。系統(tǒng)主要采集振動(dòng)信號(hào)?？梢詫?shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析和處理運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

4.2壓縮式壓電加速度傳感器的缺點(diǎn)

（1）壓縮式壓電加速度傳感器在工作中諧振頻率很高，高達(dá)一定程度就會(huì)導(dǎo)致其容易受到聲音的干擾，在聲音的的干擾下，無法檢測(cè)到相關(guān)的信號(hào)和頻率，進(jìn)而使壓縮式壓電加速度傳感器工作頻率變差，工作頻率一旦變差。測(cè)出來的結(jié)果就會(huì)非常的不理想，這也是壓縮式壓電加速度傳感目前很大的一個(gè)缺點(diǎn)；

（2）輸出阻抗非常高，阻抗太大會(huì)間接影響電抗的性能，輸出信號(hào)很弱，弱到信號(hào)傳出非常少無法檢測(cè)和感應(yīng)，所以傳感器輸出的信號(hào)需要經(jīng)過放大電路放大后才能送到檢測(cè)電路檢驗(yàn)，但是經(jīng)過放大電路放大后信號(hào)會(huì)衰減掉一些，導(dǎo)致輸出的信號(hào)會(huì)不完整。

小結(jié)：

經(jīng)過以上對(duì)壓縮式壓電加速度傳感的研究和探討，總的來說，壓縮式壓電加速度傳感器是一種由于慣性質(zhì)量快和加速度以及振動(dòng)力的作用影響而產(chǎn)生性能的，它的優(yōu)點(diǎn)也很多，適用于工業(yè)、航天航空、制造業(yè)甚至是生活中去，無論是用在哪方面都非常方便和快捷，而且通過牛頓第二定律力的原理性就可以知道其實(shí)用性和適用范圍。通過探究正反向靈敏度的幅值線性度，就可以解決壓縮式壓電加速度傳感器的工作頻率差，輸出信號(hào)不明顯的缺點(diǎn)。只有學(xué)習(xí)和了解了它的工作原理，才能更好的使用它。

努力探討學(xué)習(xí)透徹壓縮式壓電加速度傳感器，這對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)有很大的幫做，特別是跟自動(dòng)化專業(yè)，因?yàn)楹芏鄬I(yè)課的學(xué)習(xí)和研究中都用到了傳感器，特別是在工作、學(xué)習(xí)、生活上的種種生活用品，無不一一和傳感器掛鉤，只有深測(cè)學(xué)習(xí)了解研究它，才能不斷提高自己的專業(yè)技能和綜合素質(zhì)，才能養(yǎng)成獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于治會(huì).壓縮式壓電傳感器軸向靈敏幅值線性度問題

[2] 董高慶.壓電加速度計(jì)的原理結(jié)構(gòu)及其使用

[3] 唐文彥.傳感器

作者簡(jiǎn)介：

周世雄（1995.04.19）；男，廣西博白人；民族：漢；學(xué)歷：本科在讀。