压缩式压电加速度传感器简介

题 ： （1）当输入加速度幅值不太高时，传感器的正向灵敏度可以大于也可能小于其反向灵敏度，随不同的传感器而异；（2）当输入加速度幅值较大时，传感器的正向与反向灵敏度的差值随之增加。当加速度幅值增加到某个量值时，其反向灵敏度出现“饱和现象”，即再继续增加输入加速度幅值时，传感器的灵敏度变化不大或无变化。此时的输入加速度幅值称为“饱和加速度（as）”。不同的传感器as值也不同。实验发现，我国生产的压缩式传感器的as普遍较低，所以其反向加速度的测量范围也较校相反，当输入加速度幅值增大到一定程度时，传感器的正向灵敏度不正常，甚至会导致传感器损坏，这时的输入加速度幅值称为“失效加速度（a f）”。一般情况下，｜af｜＞｜as｜，从af到-as的区间称为传感器的测量加速度范围。

　　表1 几种加速度计的测量结果

　　3 压缩式压电传感器的正反向灵敏度的幅值线性度问题的分析

　　压电传感器是一种利用压电效应进行机电能量转换的变换器。因为它具有若干优点，所以被广泛地应用于机械结构的振动与冲击参量的测量。压电传感器基本上有压缩式、剪切式和弯曲式3种形式。衡量这种传感器的参数有数个，其中主要是灵敏度。按照一般检定规程规定，要求采用冲击法和谐振梁法检查传感器灵敏度的幅值线性度；但各种标准规定不够确切，只是泛指幅值线性度。实质上是指检查正向灵敏度的幅值线性度。但是对于有正负极性的二次指示仪表，测量高g（1g＝10 m／s2）值振动以及需要反向安装传感器的冲击情况（即测量负脉冲冲击加速度），若仅仅检查传感器的正向灵敏度幅值线性度是不够的，还应检查其“反向灵敏度线性度”，以便使传感器得出正确的测试数据。在我国，压缩式压电传感器的使用和生产量较大，为此，谈谈压缩式压电传感器的正反向灵敏度的幅值线性度问题。

　　压缩式压电传感器的灵敏度与其对输入加速度的响应情况有关。实际上，传感器是多自由度系统，可等效为图4所示的系统。影响系统响应的因素很多，如预紧弹簧、惯性质量、压电晶体片、垫片、连杆、基座 、锁紧螺母等的几何尺寸、结构形式、材料性质有关。对于给定的传感器，这些因素就固定了。则某个传感器正反向灵敏度的差异及反向灵敏度的“饱和现象”主要与传感器零件的加工情况、工艺水平及组装方法有关。

　　图4 压电传感器的等效示意图

　　m-惯性质量；P -压电晶体片

　　S-弹簧；W-垫片；B-基座

　　3.1 正反向灵敏度的差异

　　这主要由各部件间的接触刚度的不同和变化引起的。实际上，压缩式压电传感器的作用原理如图4所示 。其刚性元件与弹性元件均不处于理想状态，它们相互之间存在一种接触刚度。由于各个部件加工的光洁度不同，紧固螺纹不同以及压电晶体片表面金属膜的厚度、均匀度、光洁度不同，由于装配过程安装部件的相对位置不同及安装力矩的差异，所以各部件间的接触刚度不同。这种接触刚度直接影响压电传感器系统的有效刚度。因而使各个压缩式传感器的灵敏度幅值线性度不一样。

　　接触刚度比预紧弹簧的刚度大得多，当外加加速度很小时，它的作用不明显，致使传感器的正反向灵敏度的幅值线性度基本相同；当外加加速度很大时，接触刚度开始起作用，又因为接触刚度是非线性变化的物理量，因而使传感器的线性变差，而且使其正反向灵敏度的幅值线性相差较大。可以推知，这种接触刚度也会影响传感器的长期稳定性。

　　3.2 “饱和现象”

　　这主要是预紧弹簧的预紧力不足造成的。弹簧经过调整后，若预紧弹簧对惯性质量块施加的预压力为f ，当传感器受到轴向动态加速度作用时，则压电晶体片受到的合成压力为：

　　式中：m为等效惯性质量（包括预紧弹簧、垫片及压电晶体片自身的质量）。当正向安装时，的符号为正。当反向安装时，的符号为负。所以，当传感器基座向上加速运动时，惯性质量块有向下运动的趋势，因而产生一个指向基座的惯性力，使压电晶体片上的压缩力增大；相反，当传感器基座向下加速运动时 ，惯性质量块有向上运动的趋势，产生背向基座的惯性力，则使压电晶体片上的压缩力减小。由式（5）可以看出 ，对于反向安装的情况，当 =f时，F≤0，压电晶体片的压缩力不存在，它只承受自身负载的作用，所以出现了“饱和现象”。

要想增大“饱和加速度”的数值，就得加大对预紧弹簧的预紧力。预紧弹簧对惯性质量块的静态预压力必须远远超过传感器基座在冲击振动过程产生的最大动态应力。可是，此预紧力不能无限增高。由式（5）可知，若增加预紧力，则在正向安装的情况，压电晶体片所承受的压缩力提高，相对地说，只有使动态应力值减小才能使传感器保