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1、 加加 速速 度度 传传 感感 器器 技术手册技术手册 压电型压电型 目 录 本书中使用的符号和意义本书中使用的符号和意义 . 2 1 概概 要要 . 3 2 压电型加速度传感器压电型加速度传感器 （2-1）特点 . 4 （2-2）压电效应 . 4 （2-3）原理 6 3 灵敏度灵敏度 （3-1）电荷灵敏度 . 9 （3-2）电压灵敏度 . 10 （3-3）灵敏度的表示方法 . 10 （3-4）信号干扰 11 4 频率特性频率特性 （4-1）固有共振频率 13 （4-2）电荷增幅中的低频截止频率 . 14 （4-3）电压增幅中的低频截止频率 . 15 （4-4）接触共振频率和高频特性 . 15
2、 （4-5）灵敏度和共振频率 . 18 5 相位特性相位特性 20 6 动态范围和直线性动态范围和直线性 . 22 7 过度响应过度响应 （7-1）零点漂移 . 23 （7-2）振铃 . 25 8 环境条件环境条件 （8-1）使用温度范围 . 27 （8-2）温度特性 . 27 （8-3）瞬时温度产生的噪音 . 28 （8-4）湿度的影响 . 29 （8-5）声压灵敏度 29 （8-6）电磁场的影响 29 9 灵敏度标定灵敏度标定 （9-1）绝对标定 31 （9-2）比较法 . 31 10 加速度传感器的正确使用方法加速度传感器的正确使用方法 （10-1）加速度传感器的构造和用途 . 33 （
3、10-2）安装方法 . 34 （10-3）低噪声电缆 . 36 （10-4）低频低速振动测量 . 36 （10-5）冲击及过度振动测量 . 37 （10-6）振动物体重量轻的情况 . 38 （10-7）接地回路 . 38 本书中使用的符号及意义 （按字母顺序） 符号 意义 符号 意义 运算放大器的开环增益 传感器质量块的加速度 传感器基座加速度 静态电容 电荷放大器的反馈电容 压电体的静态电容 电缆的静态电容（外部电容） 柔量 电位移 衰减系数 临界衰减系数 压电体的等价压电常熟 电场 弹性模量 开路输出电压 介电常数 真空介电常数 力 传感器基座受力 自由悬挂时无衰减固有共振频率 基座质量无
4、限大时无衰减固有 共振频率 衰减固有共振频率 低频截止频率 接触共振频率 重力加速度比 重力加速度（9.8m/s） 压电体的电压输出系数 衰减比（D/Dc） 弹簧常数 弹簧长度 质量块重量 传感器总重量 传感器基座质量 压电体的自发极化 电荷 谐振锐度 压电体产生电荷 Cf 存储电荷 电荷放大器的泄放电阻 形变 弹簧的横断面积 电荷灵敏度 电压灵敏度 横轴灵敏度 应力 脉冲幅度 固有共振周期（1/fn） 压电体的居里点 任意时间 传感器基座的质量块位移延迟时间 时间常数 拉氏变换中的跃阶函数 电压 传感器重量 振动波形的单振幅 传感器基座的位移 传感器质量块的位移 角度（弧度） 角频率（2 f
5、） 低频截止角频率 相位角 振动频率比（f/fn） 1. 概 要 测量振动有两种方法，方法一在空间里设置一个静止参照系，测量距这个参照系的 位移量；方法二直接将加速度传感器安装在振动体上并算出加速度。除去因振动体质量 过轻，会受到加速度传感器本身质量影响的情况，一般来说多采用后者即加速度法。在 静止参照系无法测量位移的情况下，比如运行的车辆、飞机等，利用加速度方法可以直 接进行测量，在实用性上比较有优势。 振动测量用传感器可大致分为接触型和非接触型，如表 1.1.1 所示。 加速度 接触型 速度 动电型（数 Hz1KHz） 振动传感器 位移 应变型（DC数 100Hz） 非接触型 位移 表 1
6、.1.1 振动传感器的分类 在这些分类当中，压电型加速度传感器具有带域宽、灵敏度高、小型轻量、动态范围广 等优势，是最为常用的测量振动的传感器。 压电型（数 Hz数 10KHz） 动电型（数 Hz1KHz） 应变型（DC数 100Hz） 电磁型（涡流型） 电容型（DC数 10KHz） 光学式（激光干涉法） 2. 压电型加速度传感器 （2-1）优 势 压电型加速度传感器具有很多独特的优势， 因此被广泛应用于振动测量的各个领域。 从 重量角度来看，压电型加速度传感器具有带域宽、灵敏度高的特点。利用带域宽的特点可以 进行冲击测量，对含有多种频率成分的振动波、原波形都可精确测量。另外，压电型加速度 传
7、感器具有高灵敏度的同时，还有很高的机械强度，因此动态范围很广。 另外一个很大的优势是，由于压电体是电荷应答型，无法保持 DC 成分的峰值，所以不 具备静态灵敏度。因此通过积分器测量速度、位移时，无需考虑零漂的误差（参考 p23） ， 使用起来非常方便。 从重量角度看具有高灵敏度。 （与其他方式相比） 可设定高数值的固有共振频率，具有带域宽的特点。 具有高机械强度和高灵敏度，动态范围广。 是电荷应答型，不具有静态灵敏度。 利用压电效应，不需要外接电源。 原理上没有阻尼器，具有良好的时效性。 无需繁琐的基准值设置，安装后即可测量。 （2-2）压电效应 结晶体是由构成固体物质的原子、 离子通过规则排
8、列组合而成的立体结构。 根据构成的 原子、离子的对称性，结晶体分为 32 种晶族。其中 20 晶族的结晶体具有压电性。 石英、 罗谢尔盐或者锆钛酸铅陶瓷Pb(ZrTi)O3等属于 20 晶族， 这些结晶体受到压力、 张力、剪切力时会产生形变，导致介质极化产生电流（正压电效应） 。相反，给结晶体施加 电流使之极化后，结晶体会产生相应的形变（逆压电效应） 。这种现象称为压电效应，具有 压电性的结晶体称为压电体。 在压电体中，应力 T 和形变力 S（机械量）与电流 E 和电位移 D（电气量）通过压电效 应相互结合。这种特性叫做机电耦合特性，以加速度传感器为例，已经在各个领域被广泛应 用。 压电效应可
9、以用以下公式表示。选择 T 和 E 为独立变量，用矩阵标识法表示如下， 如果选择 T 和 D 为独立变量的话，表示如下， （其中 E:介电常数，CS:柔量） ，另外上式中 d 和 g 各自代表 d 常数（等价压电常数） 、g 常 数（电压输出常数） ，如以下公式所示。 产生的应力 施加的电流强度 因此经过极化后多晶体压电体可以用以下公式表示： 另外两者之间存在如下关系： 因为 d 常数和 g 常数都是 3 阶张量1，因此具有 18 种方向。可将其大致分为 4 类： （）在 电流轴垂直方向的伸缩， （）在电流轴平行方向的伸缩， （）在电流轴垂直面内的切变， （）在电流轴平行面内的切变。如图所示：
10、 （）横向效果 d31,g31 ()纵向效果 d33,g33 （）面切变效果 d14，g14 （）厚度切变效果 d15，g15 图 2.2.1 压电效果 图 2.2.1 中的（）和()分别称作横向效果 d31,g31 ，纵向效果 d33,g33， （）和（）称 作剪切效果。 1 d 常数、g 常数是用张量的省略记法表示的，并不是 2 阶张量，而是 3 阶张量。具体来说，d31、d33、d15分别对应 d311、d333、d113。只是此时极化方向均为“3”方向。第 1 项为外部电流的方向。第 2 项表示与 此方向的垂直面，承受第 3 项表示方向的应力。第 3 项表示应力方向。 产生的电荷密度
11、施加的应力 产生的应力 施加的电荷密度 产生的电流强度 施加的应力 （2-3）原理 应用压电效应的压电型加速度传感器，要根据用途选择上述压电效果。 从结构上看，压缩型（纵向效果）具有高机械强度，适用于冲击测试等各种测量要求。 剪切型 （厚度切变效果）不易受到由于温度变化产生的热电气2的影响。 挠曲型（横向效果） 具有低频高敏度的特点。三者结构如图 2.3.1（a） （b） （c） ，区别在于压电体受到的应力方 向不同，其基本原理则大致相同。 外壳 压电体 质量块 质量块 压电体 基座 基座 （a）压缩型 （b）剪切型 压电体 质量块 基座 （c）挠曲型 图 2.3.1 压电型加速度传感器的结构 现在仅对加速度传感器运动方向为上下的情况进行说明，图 2.3.2（a） （b）中，k 代表 压电体的弹性常数，D 代表空气阻抗等各种衰减。如图（a）中在基座上施加位移 x0向上的 加速度 a0，弹性常数 k 如图（b）所示，被压缩位移 y。此时，施加到
