發布日期：2022-10-09 點擊率：63
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壓電加速度傳感器的結構原理詳解
【摘要】簡述了壓電加速度傳感器的結構原理。說明了該傳感器靈敏度的線性度問題，分析了其正向反向靈敏度的差異與“飽和現象”，以便在生產、鑒定與使用時加以注意。?
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1 壓電式加速傳感器的結構及工作原理
? 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。
? 常用的壓電式加速度計的結構形式如圖1。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖1（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，并使預緊力發生變化， 易引起溫度漂移。圖1（b）為環形剪切型結構簡單，能做成極小型、高共振頻率和加速度計，環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高溫度受到限制。圖1（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1 壓電式加速度計的結構形式圖
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就其結構特點而言，壓縮式壓電傳感器(加速度計)第三種結構形式與前兩種相同，原理也相同，所不同的是其敏感元件的安裝方向倒置了。所以，對于同一加速度輸入，其響應極性正好相反，即軸向靈敏度的方向相反。前兩種型式的傳感器結構如圖2。
圖2 壓縮式電傳感器結構圖
? 它們由預緊彈簧、慣性質量、壓電晶體片、墊片、連桿、鎖緊螺母、殼體和基座等組成。當固定在被測物體上的傳感器隨物體運動時，其慣性質量塊產生慣性作用力作用在壓電晶體片上，壓電晶體片產生與此作用力成比例的變形，由于壓電晶體片的壓電效應，便產生與壓電元件變形成比例的電荷，此信號由輸出端引出。在此傳感器中，壓電晶體片既是敏感元件又是彈性元件。一般把壓電晶體片看成無質量的彈簧。慣性質量塊為絕對剛性。預緊彈簧與墊片的質量均忽略不計。所以該傳感器可簡化成單自由度系統，見圖3，其固有頻率為：?
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? 式中： K為圓板形壓電晶體片的剛度；ms為慣性質量塊的質量；E為壓電晶體片的楊氏模量；D為壓電晶體片的直徑；t為各晶體片的厚度；mb為傳感器基座和殼體的質量。
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圖3? 壓縮式電傳感器原理圖
m-慣性質量；s-彈簧；b-基座
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? 所謂壓電傳感器的軸向靈敏度就是在一定條件下其指定的電輸出量與軸向指定的機械輸入量的比值，即：
? 檢查靈敏度幅值線性度時，傳感器靈敏度的方向性可根據外加軸向機械運動的方向而定；若外加運動使慣性塊慣性力方向指向傳感器的基座時，輸出靈敏度方向為正向，若外加運動使慣性質量塊的慣性力方向背向傳感器基座時，輸出靈敏度為負向。例如將壓電傳感器固定在跌落沖擊臺的上安裝臺面時，在沖擊時產生的靈敏度為正向，若將壓電傳感器固定在其下安裝臺面時，沖擊時產生的靈敏度為負向。而對于倒置中心安裝式傳感器的靈敏度剛好相反。?
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2 正反向靈敏度的比較?
? 所謂幅值線性度檢查是在規定的加速度范圍內檢查傳感器的靈敏度隨不同加速度的變化情況。幅值線性度可以采用諧振梁法和沖擊法進行檢查。沖擊法比諧振梁法可達到的最大加速度值高得多，現介紹沖擊法試驗的情況。?
? 把被檢定的壓電傳感器先后固定在G-1000型沖擊裝置的沖錘臺面上或下面，當檢查正向靈敏度時，將傳感器正向固定在沖錘之上；當檢查負向靈敏度時，則將它反向固定在沖錘之下。壓電傳感器的輸出信號均經同一臺B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然后由同一臺2606型測量放大器再放大并指出峰值，因而排除了二次測量儀表的不同而產生的影響。該沖擊裝置在某一高度多次跌落沖錘時產生的加速度重復性較好；由于壓電式加速度計的質量差異不大，在安裝一只加速度計的情況，對于同一跌落高度，不同傳感器對沖錘加速度的影響可忽略不計。通過測試發現，在同一跌落高度，當改變被測傳感器時，沖擊加速度的增長(或持續)時間也不變。因此只采用改變沖錘跌落高度的方法控制沖擊加速度幅值。?
? 加速度幅值線性度可根據最小二乘法計算，其值為：
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式中：So為截距；S為在加速度為a時的靈敏度。?
? 對于幾種加速度計的測試結果示于表1。可以發現，對不同的壓縮式傳感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當輸入加速度值較小時，加速度計的幅值線性度、重復性和穩定性都較好；當輸入加速度值較高時( 大于1 000 m／s2)，這些性能變差。對于同一只傳感器，其正向與反向靈敏度有差異，發現有兩方面的問題 ： (1)當輸入加速度幅值不太高時，傳感器的正向靈敏度可以大于也可能小于其反向靈敏度，隨不同的傳感器而異；(2)當輸入加速度幅值較大時，傳感器的正向與反向靈敏度的差值隨之增加。當加速度幅值增加到某個量值時，其反向靈敏度出現“飽和現象”，即再繼續增加輸入加速度幅值時，傳感器的靈敏度變化不大或無變化。此時的輸入加速度幅值稱為“飽和加速度(as)”。不同的傳感器as值也不同。實驗發現，我國生產的壓縮式傳感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測量范圍也較小。相反，當輸入加速度幅值增大到一定程度時，傳感器的正向靈敏度不正常，甚至會導致傳感器損壞，這時的輸入加速度幅值稱為“失效加速度(a f)”。一般情況下，｜af｜＞｜as｜，從af到-as的區間稱為傳感器的測量加速度范圍。
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表1? 幾種加速度計的測量結果
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?
? 壓電傳感器是一種利用壓電效應進行機電能量轉換的變換器。因為它具有若干優點，所以被廣泛地應用于機械結構的振動與沖擊參量的測量。壓電傳感器基本上有壓縮式、剪切式和彎曲式3種形式。衡量這種傳感器的參數有數個，其中主要是靈敏度。按照一般檢定規程規定，要求采用沖擊法和諧振梁法檢查傳感器靈敏度的幅值線性度；但各種標準規定不夠確切，只是泛指幅值線性度。實質上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對于有正負極性的二次指示儀表，測量高g(1g＝10 m／s2)值振動以及需要反向安裝傳感器的沖擊情況(即測量負脈沖沖擊加速度)，若僅僅檢查傳感器的正向靈敏度幅值線性度是不夠的，還應檢查其“反向靈敏度線性度”，以便使傳感器得出正確的測試數據。在我國，壓縮式壓電傳感器的使用和生產量較大，為此，談談壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題。
? 壓縮式壓電傳感器的靈敏度與其對輸入加速度的響應情況有關。實際上，傳感器是多自由度系統，可等效為圖4所示的系統。影響系統響應的因素很多，如預緊彈簧、慣性質量、壓電晶體片、墊片、連桿、基座 、鎖緊螺母等的幾何尺寸、結構形式、材料性質有關。對于給定的傳感器，這些因素就固定了。則某個傳感器正反向靈敏度的差異及反向靈敏度的“飽和現象”主要與傳感器零件的加工情況、工藝水平及組裝方法有關。
圖4 壓電傳感器的等效示意圖
m-慣性質量；P-壓電晶體片
S-彈簧；W-墊片；B-基座
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3.1 正反向靈敏度的差異?
? 這主要由各部件間的接觸剛度的不同和變化引起的。實際上，壓縮式壓電傳感器的作用原理如圖4所示 。其剛性元件與彈性元件均不處于理想狀態，它們相互之間存在一種接觸剛度。由于各個部件加工的光潔度不同，緊固螺紋不同以及壓電晶體片表面金屬膜的厚度、均勻度、光潔度不同，由于裝配過程安裝部件的相對位置不同及安裝力矩的差異，所以各部件間的接觸剛度不同。這種接觸剛度直接影響壓電傳感器系統的有效剛度。因而使各個壓縮式傳感器的靈敏度幅值線性度不一樣。
? 接觸剛度比預緊彈簧的剛度大得多，當外加加速度很小時，它的作用不明顯，致使傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度基本相同；當外加加速度很大時，接觸剛度開始起作用，又因為接觸剛度是非線性變化的物理量，因而使傳感器的線性變差，而且使其正反向靈敏度的幅值線性相差較大。可以推知，這種接觸剛度也會影響傳感器的長期穩定性。?
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3.2 “飽和現象”?
? 這主要是預緊彈簧的預緊力不足造成的。彈簧經過調整后，若預緊彈簧對慣性質量塊施加的預壓力為f ，當傳感器受到軸向動態加速度作用時，則壓電晶體片受到的合成壓力為：
式中：m為等效慣性質量(包括預緊彈簧、墊片及壓電晶體片自身的質量)。當正向安裝時，的符號為正。當反向安裝時，的符號為負。所以，當傳感器基座向上加速運動時，慣性質量塊有向下運動的趨勢，因而產生一個指向基座的慣性力，使壓電晶體片上的壓縮力增大；相反，當傳感器基座向下加速運動時 ，慣性質量塊有向上運動的趨勢，產生背向基座的慣性力，則使壓電晶體片上的壓縮力減小。由式(5)可以看出 ，對于反向安裝的情況，當 =f時，F≤0，壓電晶體片的壓縮力不存在，它只承受自身負載的作用，所以出現了“飽和現象”。?
? 要想增大“飽和加速度”的數值，就得加大對預緊彈簧的預緊力。預緊彈簧對慣性質量塊的靜態預壓力必須遠遠超過傳感器基座在沖擊振動過程產生的最大動態應力。可是，此預緊力不能無限增高。由式(5)可知，若增加預緊力，則在正向安裝的情況，壓電晶體片所承受的壓縮力提高，相對地說，只有使動態應力值減小才能使傳感器保持相同的強度，所以降低了“失效加速度”的數值，這個靜態預緊力通過試驗方法確定 。?
? 鑒于上述分析可以看出，當被測加速度的動態范圍很大時，壓縮式壓電傳感器的幅值線性度變差；被測加速度超過1 000 m／s?2時，正向與反向加速度靈敏度存在一定的偏差。對于要求測量反向沖擊加速度值的傳感器，必須進行反向靈敏度幅值線性度的檢定，以減小測量誤差。檢定規程對壓電加速度的幅值線性度規定比較嚴格，對于壓縮式傳感器而言，實質上是指正向靈敏度，若想兼顧反向靈敏度就會超差，為此應對其反向靈敏度的幅值線性做專門的補充規定。?
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壓電加速度式傳感器實驗報告 試驗一金屬箔式應變片——單臂電橋性能實驗 一．實驗目的 了解金屬箔式應變片的應變效應及單臂電橋工作原理和性能。 二．基本原理 電阻絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應。金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它反映被測部位受力狀態的變化。電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態。單臂電橋輸出電壓Uo1?EK?/4，其中K為應變靈敏系數，?L/L為電阻絲長度相對變化。 三．實驗器材 主機箱、應變傳感器實驗模板、托盤、砝碼、萬用表、導線等。 四．實驗步驟 1.根據接線示意圖安裝接線。2.放大器輸出調零。3.電橋調零。 4.應變片單臂電橋實驗。 測得數據如下： 實驗曲線如下 應變單臂電橋 電壓 20 重量 0 分析：由圖可以看出，輸出電壓與加載的重量成線性關系，由于一開始調零不好，致使曲線沒有經過原點，往上偏離了一段距離。 5.根據表中數據計算系統的靈敏度SU/?W和非線性誤差?m/yFS?100%，式中?m為輸出值與擬合直線的最大偏差；yFS為滿量程輸出平均值，此處為140g。?U=30mv，?W=140g， ?0所以S?30/ ?m=，yFS=140g， ?4010?0%所以? ?/1 6.利用虛擬儀器進行測量。 1. 相應的曲線如下： 五．思考題 單臂電橋工作時，作為橋臂電阻的應變片應選用：正應變片；負應變片；正、負應變片均可以。答：應變片受拉，所以選正應變片。 實驗三金屬箔式應變片——全橋性能實驗 一、實驗目的 了解全橋測量電路的優點 二、基本原理 全橋測量電路中，將受力方向相同的兩應變片接入電橋對邊，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值R1=R2=R3=R4、其變化值?R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓Uo3?EK?。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差都得到了改善。 三、實驗器材 主機箱、應變傳感器實驗模板、托盤、砝碼、萬用表、導線等。 四、實驗步驟 1.根據接線示意圖安裝接線。2.放大器輸出調零。3.電橋調零。4.應變片全橋實驗 實驗曲線如下所示： 應變全橋電橋 電壓 重量 分析：從圖中可見，數據點基本在擬合曲線上，線性性比半橋進一步提高。 5.計算靈敏度S=U/W，非線性誤差?。 U=，W=140g；所以S=/140=mv/g;?m=，yFS=140g， ?4010?0%0/1 6.利用虛擬儀器進行測量實驗曲線如下所示： 五、思考題 1.測量中，當兩組對邊電阻值R相同時，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2時，是否可以組成全橋：可以；不可以。答：不可以。 2.某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，能否及如何利用四組應變片組成電橋，是否需要外加電阻。 答：能夠利用它們組成電橋。對于左邊一副圖，可以任意選取兩個電阻接入電橋的對邊，則輸出為兩倍的橫向應變，如果已知泊松比則可知縱向應變。對于右邊的一幅圖，可以選取R3、R4接入電橋對邊，則輸出為兩倍的縱向應變。兩種情況下都需要接入與應變片阻值相等的電阻組成電橋。 3.金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較 比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，根據實驗結果和理論分析，闡述原因，得出相應的結論。 答：根據實驗結果可知：靈敏度：全橋>半橋>單臂非線性度：單臂>單橋>全橋理論上：靈敏度：單臂S?非線性度：單臂 EE ，半橋S?，全橋S?E。42 K? ?100%，半橋0，全橋0。 2?K? 因為全橋能使相鄰兩臂的傳感器有相同的溫度特性，達到消除溫度誤差的效果。同時還能 傳感器技術實驗報告 班級：電信班姓名：吳小蕓學號：指導老師：劉宇峰 一．實驗目的 1、通過實驗掌握雙臂電橋的使用方法，以及在電阻測量中的應用；2、檢驗用V-A法測量電阻時，電壓表不同接法時對測量結果的影響； 二．實驗內容 1、用雙臂電橋測量直流電阻；2、用V-A法測量直流電阻； 三．實驗設備 1、直流雙臂電橋QJ422、電阻箱ZX21 3、直流電壓表，磁電式、、級； 4、直流毫伏表，磁電式、0-50-100-500-1000mA、級；5、直流穩壓電源。 四．實驗步驟 1、用雙臂電橋測量直流電阻 將直流穩壓電源的輸出電壓調節到2V，直流雙臂電橋選用外接電源供電；電阻箱選用Ω的電阻，接入雙臂電橋術的測量臂； 用直流雙臂電橋測量上述電阻箱的阻值6次，計算平均值； 注意：直流穩壓電源的輸出電壓不可超出2V以防止損壞雙臂電橋；2、用V-A測量直流電阻； 直流穩壓電源的輸出電壓同上，用V-A法采取電壓表前接和電壓表后接法測量上述電阻 六．注意事項 1．電壓表接10V，先要調到再接電路，保護器材。 2．在用雙臂電橋測量直流電阻中
實驗六：壓電式傳感器
一、實驗目的：
1．掌握壓電式傳感器的原理。
2．理解壓電式傳感器的外形和特性。
3．了解壓電加速度計的結構、原理和應用。
二、實驗原理：
壓電式傳感器是一種典型的有源雙向機電型傳感器（本實驗中是利用特殊材料的正壓電效應，也稱發電型傳感器）。壓電傳感元件是力敏感元件，在壓力、應力、加速度等外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現非電量的電測。
三、實驗所需部件：
壓電式傳感器、電荷放大器（電壓放大器）、低頻振蕩器、激振器、電壓/頻率表、主副電源、單芯屏蔽線、示波器。
四、實驗步驟：
1．觀察了解壓電式加速度傳感器的結構：由PZT雙壓電陶瓷晶片、慣性質量塊、壓簧、引出電極組裝于塑料外殼中。
2．差動放大器調零；低頻振蕩器的幅度置于最小；電壓表置于20V檔；差動放大器增益調到最小；直流電源置于4V檔。
3．按圖8接線，低頻振蕩器輸出接“激振II”端，開啟電源，調節振動頻率與振幅，用示波器觀察低通濾波器輸出波形。
4．適當增大差動放大器的增益，調節W1使電壓表示數為零。
5．改變低頻振蕩器的頻率，讀出電壓表的示數，根據調節過程，畫出大致的頻率與電壓表示數的關系曲線。
壓電式傳感器實驗電路圖
1．實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應盡量使用較短的接插線，以避免引入干擾。
2．接插線插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內導線斷裂。
3．穩壓電源不要對地短路。所有單元電路的地均須與電源地相連。
4．做此實驗時，懸臂梁振動頻率不能過低（1~3Hz），否則電荷放大器將無輸出。
5．低頻振蕩器的幅度要適中，盡量避免失真。
6．梁振動時不應發生碰撞，否則將引起波形失真。
7．由于梁的相頻特性的影響，壓電式傳感器的輸出與激勵一般不是180°，故電壓表示數有較大的跳動，此時，可以適當改變激勵信號的頻率，使相敏檢波器輸出的兩個半波盡可能平衡，以減少電壓表的跳動。
六、思考：
1．根據實驗結果，可以知道振動臺的固有頻率，如何估計？
2．試回答壓電式傳感器的特點。
3．根據實驗數據，結合壓電式傳感器原理和電壓、電荷放大器原理，式分析引線的分布電容對電壓放大器和電荷放大器性能有什么影響？
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