压电型加速度传感器技术手册2

2.压电型加速度传感器

2.1 特  长

  压电型加速度传感器由于具有很多特长，在振动检测领域得到最广泛的应用。其最大的特点就是相对重量来说具有频域广、灵敏度高。在宽频带冲击试验检测中，可以将频域内含有广泛的频率成分的原始波形不失真地检测到。另外，由于灵敏度高及构造上的高机械强度，其对应的动态范围也比较广。

  还有一个特长，该型传感器内部是电荷响应型的压电体感振素子，对DC成分的峰值是没有办法维持的，所以压电型加速度传感器是没有静态灵敏度的。因此，通过积分器求速度或位移的话，不需要考虑零点偏移的误差，使用起来相对比较方便。

  ●同种重量下，灵敏度高（和其他类型加速度传感器相比）；

  ●固有共振频率可以设计的很高，可宽频域对应；

  ●机械强度强且高灵敏度，动态范围广；

  ●电荷响应型，没有静态灵敏度；

  ●利用压电效应，不需要外部电源；

  ●原理上没有阻尼，时间上响应特性优秀；

  ●没有烦琐的基准点等设置，安装后即可检测。

2.2 压 电 效 应（压 电 效 果）

  构成固体物质的原子或离子在三维空间规则排列的话，称其为结晶。按照结晶的原子或离子的对称性，分为32种晶族。人们发现，里面20种晶族的结晶具有压电性。

  水晶、洛瑟尔氏盐、锆钛酸铅压电陶瓷材料【Pb（Zr·Ti）O₃】等20晶族所属的结晶，在受到压力、张力、剪切力后会产生变形，介质分极发生从而产生电场（正效果）。相反的，在结晶上加电场，结晶产生变形发生应力（逆效果）。这种现象称为压电效应（效果），带有压电性的结晶称为压电体。

  压电体上有应力T及变形S（机械量）、电场E及电气位移D（电气量）等相结合产生压电效应。这种电气和机械相结合的性质，现在在加速度传感器上得到实现，在各方面得到广泛应用。

  压电效应可以通过压电方程式表示，以T和E为独立变量，

以T和D为独立变量，

式中，ε：介电常数、Cs：柔量电容。上式中的d称为d常数（等价压电常数），g称为g常数（电压输出常数），定义如下，

另外，被分极处理的多结晶压电体有下列关系，（S：变形、E：电场强度、Q：电荷、F：力、T：应力）

所以d和g的关系为

上式d、g常数为3阶张量，带有18种方向，大致可以分为以下4种。（ⅰ）和电场轴直角方向的伸缩，（ⅱ）和电场轴平行方向的伸缩，（ⅲ）和电场轴直角面内的滑移，（ⅳ）和电场轴平行面内的滑移。

2.3 原  理

压电型加速度传感器主要利用压电效果，针对用途按照前述效应进行分类应用。有构造上利用高机械强度，不只冲击检测等方面其他方面也广泛被使用的压缩型（纵效果）；对温度瞬变或温度变化引起的焦电效应基本不受影响的剪切型（厚度滑移效果）；低频域高灵敏度对应的悬垂型（横效果）。各类型的构造如图2.3.1所示，压电体上施加的应力方向有多不同，基本原理都是相同的。

接下来，仅以上下运动方向的场合进行说明。图2.3.2（a）和（b）为其数学模型，k为弹性系数，D为空气阻尼或其他一些减衰性阻尼。图（a）中，基座受位移为x₀向上加速度a₀的力，k如图（b）压缩，位移为y，此时，质量块m受力为

利用牛顿第二定律，式2.3.1变为

对于十分低于弹性质量系（质量块·压电体·基座）的固有共振频率的频率，式2.3.2中，加速度传感器受到的a₀和压电体受到的惯性力F=ma直接成比例，且和频率是没有关系的。

  于是，惯性力F在压缩型的场合，压电体在纵向受到力而变形，此时发生的电荷如下式所示，

上式中，d₃₃，m一定，Q对于加速度a₀成正比例关系。通过压电体的静电容量C，电荷Q变化为电压V。

因为 Q = CV，所以

静电容量C是一定的，由此可见，a₀和V是成一次正比例关系。

  综上所述，压电型加速度传感器基座受到的加速度最终会转变电压输出。电荷和电压的输出都和加速度成正比，检测时，通过电压大小便可知道加速度大小。一般电荷输出称为电荷灵敏度，电压输出称为电压灵敏度。