传感器的工作原理

压电石英晶体强冲击加速度传感器是以压电石英晶体为机电转换元件，电荷量或电压量的输出与加速度成正比，其工作原理如图6-22(a)所示。在压电晶体上，以一定的预紧力压紧一个惯性质量块m，惯性质量块m 上有一个预紧螺母，这样就可以组成压电加速度传感器。压电石英加速度传感器等效动力学模型如图6-22(b)所示，这是典型的惯性加速度传感器力学模型，通常它可以简化为单自由度二阶力学系统，其惯性质量块m 的运动规律可以用下式表示：

式中，m 为惯性质量块质量；c 为阻尼系数；k 为弹性系数；x 为惯性质量块m 相对于加速度计壳体的位移；y¨ 为加速度计基座的振动加速度。

图6-22 压电石英加速度传感器工作原理示意图与等效动力学模型

(a)工作原理；(b)等效动力学模型
1—质量块；2—压电晶体；3—引出线；4—壳体

设加速度传感器的基座绝对位移y 为

将式(6-2)代入式(6-3)可改写成(www.xing528.com)

设ξ = = k/m，所引起的系统响应可表示为

式中，ξ 为阻尼比；ω0 为无阻尼谐振频率；ω 为物体振动频率。

压电式加速度传感器的阻尼比ξ 很小，一般不大于0.04，可忽略不计。设计加速度传感器时，要尽量提高它的无阻尼谐振频率，在ωn ≫ω 时下式成立：

从式(6-5)和式(6-7)中可以看出，惯性质量块m 相对于外壳的位移x 的幅值x0 与物体的振动加速度y¨ 成正比。压电晶体在惯性质量块m 的惯性力F 作用下产生的电荷量Q 为

对每只加速度传感器而言，压电晶体的压电系数dij和惯性质量块质量m 均为常数。式(6-8)说明，压电加速度传感器的输出电荷量Q 与物体的振动(或冲击)加速度y¨ 成正比。选择适当的测试系统检测出电荷量Q，就实现了对物体振动(冲击)加速度的测量。