压电式加速度传感器的原理和应用

压电式加速度传感器工作原理如图4-18a所示。在压电转换元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块m，惯性质量块上有一预紧螺母（或弹簧片），就可组成一个简单的压电加速度传感器，图4-18b是它的力学模型图。

图4-18 压电式加速度传感器

压电转换元件在惯性质量块m的惯性力作用下，产生的电荷量为

q=d_ijmd²y/dt² （4-24）

对每只加速度传感器而言，d_ij、m均为常数。式（4-24）说明压电加速度传感器输出的电荷量q与物体振动加速度成正比。用适当的测试系统检测出电荷量q，就实现了对振动加速度的测量。

压电片的结构阻尼很小，压电加速度计的等效惯性振动系统的阻尼比ξ≈0。所以压电加速度计在0～0.2f_n的频率范围内具有常数的幅频特性和零相移，满足不失真转换条件。传感器输出的电荷信号不仅与被测加速度波形相同，而且无时移，这是压电加速度计的一大优点。

在工作频率范围内，压电加速度计的输出电荷q（t）与被测加速度a（t）成正比

q（t）=s_qa（t） （4-25）(www.xing528.com)

式中，s_q——电荷灵敏度，单位为皮库/单位加速度（pC/ms^-2或pC/g）。

为了扩宽压电加速度计的工作频率范围，必须提高传感器的固有频率，但随着固有频率的提高，传感器的灵敏度会下降。为满足各个领域振动测量的需要，压电加速度计常做成一个序列，从高固频、低灵敏度的宽频带加速度计，到高灵敏度，低固频的低频加速度计。灵敏度越高，压电加速度计的质量也越大。机械工程振动测试通常使用的压电加速度计的工作频率上限为4000～6000Hz，电荷灵敏度为2～10pC/ms^-2左右，质量为10～50g。

压电加速度计的内阻可视为无穷大，测振时，压电片产生的电荷量极其微弱。要将此电荷信号不失真地转换为电压信号，就要求后续的放大器有极高的输入阻抗、灵敏度以及很低的电噪声。在当代工程测试振动测试中，常采用电荷放大器作为压电式传感器的前置放大器，它能很好地满足上述要求，将电荷信号转换为电压信号。其输出电压幅值适当（为10⁰V级），输出阻抗低，并有一定的功率负载能力，便于连接后续测试仪器。有些电荷放大器还具有模拟积分功能，可将代表振动加速度的电压信号积分为代表振动速度或位移的电压信号。

由于电荷放大器具有高通特性，所以和压电加速度计配套使用时，测振系统的测量频率下限受电荷放大器的下截止频率f_l限制，一般为0.1～1Hz，特殊设计的超低频电荷放大器的下截止频率可低达0.1mHz，可以测量准直流信号。上限频率如前述，为加速度计的上截止频率的0.2倍。

图4-19是压电加速度计和电荷放大器组合系统的幅频特性曲线，图中的f_l～0.2f_n的频率范围为测振系统的工作频率范围。在对相频特性要求严格的场合，测振系统的下限频率比电荷放大器的名义下截止频率f_l要高；在使用内置积分功能时，测振系统的工作频率下限由积分网络下限频率决定，具体数值可参看电荷放大器的特性说明。

图4-19 压电加速度计和电荷放大器组合系统的幅频特性