壓電式特點(diǎn)

　　壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號(hào)。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號(hào)。

　　壓電材料

　　壓電材料一般可以分為兩大類，即壓電晶體和壓電陶瓷。在壓電型加速度計(jì)的最常用的壓電晶體為石英，其特點(diǎn)為工作溫度范圍寬，性能穩(wěn)定，因此在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常被用作標(biāo)準(zhǔn)傳感器的壓電材料。由于石英的壓電系數(shù)比其他壓電材料低得多，因此對(duì)通用型壓電加速度計(jì)而言更為常用的壓電材料為壓電陶瓷。壓電陶瓷中鋯鈦酸鉛(PZT)是目前壓電加速度計(jì)中最經(jīng)常使用的壓電材料。其特點(diǎn)為具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度時(shí)間等外界條件的變化相對(duì)較小。必須指出的是，就同一品種的壓電陶瓷而言，雖然都有相同的基本特性，但由于制作工藝不同可以使兩個(gè)相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標(biāo)相差甚大。這種現(xiàn)象可以通過典型的國產(chǎn)傳感器和進(jìn)口傳感器的比較得以反映，國內(nèi)振動(dòng)測試業(yè)幾十年的經(jīng)驗(yàn)對(duì)此深有體會(huì)。 ·傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)形式

　　壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質(zhì)量塊組成，當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個(gè)與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的電荷信號(hào)。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應(yīng)力也可以是剪應(yīng)力，壓電材料產(chǎn)生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據(jù)壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)一般有以下三種形式：

　　1)壓縮形式– 壓電材料受到壓縮或拉伸力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是制造簡單方便，能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點(diǎn)是不能有效地排除各種干擾對(duì)測量信號(hào)的影響。

　　2)剪切形式– 通過對(duì)壓電材料施加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產(chǎn)生的電荷信號(hào)受外界干擾的影響甚小，因此剪切結(jié)構(gòu)形式成為最為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實(shí)際制造過程中，確保剪切敏感芯體的加速度計(jì)持有較高和穩(wěn)定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。北智BW-Sensor 采用進(jìn)口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。

　　3)彎曲變形梁形式- 壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號(hào)，也較容易實(shí)現(xiàn)控制阻尼;但因?yàn)槠錅y量頻率范圍低，更由于此結(jié)構(gòu)不能排除因溫度變化而極容易產(chǎn)生的信號(hào)漂移，所以此結(jié)構(gòu)在壓電型加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中很少被采用。

??????? 原理

　　1.電荷靈敏度

　　加速度計(jì)一般采用PZT壓電陶瓷材料，利用晶體材料在承受一定方向的應(yīng)力或形變時(shí)，其極化面會(huì)產(chǎn)生與應(yīng)力相應(yīng)的電荷，壓電元件表面產(chǎn)生的電荷正比于作用力，因此有

　　Q=dF

　　其中，Q為電荷量，d為壓電元件的壓電常數(shù)，F(xiàn)為作用力。

　　加速度計(jì)的電荷靈敏度則是加速度計(jì)輸出的電荷量與其輸入的加速度值之比。電荷量的單位取pC，加速度單位為m/s2-。(1g=9.8m/s2)

　　2.電壓靈敏度

　　如果要換算加速度計(jì)的電壓靈敏度，則可用下面公式得到

　　Sq

　　Sa = (v/ms-2)

　　Ca

　　Sq為電荷靈敏度，單位pC/ms-2;Ca為電容量，單位pF。Sa電壓靈敏度單位V。

　　3.頻率響應(yīng)

　　(1)諧振頻率，為加速度計(jì)安裝時(shí)的共振頻率，隨產(chǎn)品附有諧振頻率曲線(低頻傳感器不附圖)。

　　(2)頻率響應(yīng)一般采用諧振頻率的1/3—1/5。加速度計(jì)頻響在1/3諧振頻率時(shí)，頻響與參考靈敏度偏差≤1dB，(誤差<10%)。頻響在1/5諧振頻率時(shí)，頻響與參考靈敏度≤ 0.5dB(誤差<5%-)。

　　我公司傳感器頻響均以1/3諧振頻率計(jì)算。

　　4.最大橫向靈敏度比

　　加速度計(jì)受到垂直于安裝軸線的振動(dòng)時(shí)，仍有信號(hào)輸出，即垂直于軸線的加速度靈敏度與軸線加速度之比稱橫向靈敏度。

　　5. 電荷輸出的壓電式加速度計(jì)配合電荷放大器，其系統(tǒng)的低頻響應(yīng)下限主要取決于放大器的頻響。