压电式加速度传感器的原理与结构

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的。另一种就是线加速度计。

　　加速度传感器，包括由硅膜片、上盖、下盖，膜片处于上盖、下盖之间，键合在一起；一维或二维纳米材料、金电极和引线分布在膜片上，并采用压焊工艺引出导线；工业现场测振传感器，主要是压电式加速度传感器。其工作原理主要利于压电敏感元件的压电效应得到与振动或者压力成正比的电荷量或者电压量。目前工业现场典型采用IEPE型加速度传感器，及内置IC电路压电加速度传感器，传感器输出与振动量正正比的电压信号。

　　加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪改进过来的。另一种就是加速度传感器。它也可以按测量轴分为单轴、双轴和三轴加速度传感器。现在，加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。下面就举例几个例子，更好的认识加速度传感器。游戏控制加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，因此通过前后倾斜手持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制，就变得很简单。

　　加速度传感器的技术指标

　　1、灵敏度方面的技术指标：对于一个仪器来说，一般都是灵敏度越高越好的，因为越灵敏，对周围环境发生的加速度的变化就越容易感受到，加速度变化大，很自然地，输出的电压的变化相应地也变大，这样测量就比较容易方便，而测量出来的数据也会比较精确的。

　　2、带宽方面的技术指标：带宽指的的是传感器可以测量的有效的频带，比如，一个传感器有上百HZ带宽的就可以测量振动了；一个具有五十HZ带宽的传感器就可以有效测量倾角了。

　　3、量程方面的技术指标：测量不一样的事物的运动所需要的量程都是不一样的，要根据实际情况来衡量。

　　解析手机上的传感器

　　加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。因此其的范围比重力感应器要大，但是一般在手机被提到的加速度感应器时，其实就是指重力感应器，因此两者可以看做是等价的。

　　方向感应器

　　手机方向传感器是指，安装在手机上用以检测手机本身处于何种方向状态的部件，而不是通常理解的指南针的功能。

　　手机方向检测功能可以检测手机处于正竖、倒竖、左横、右横，仰、俯状态。具有方向检测功能的手机具有使用更方便、更具人性化的特点。例如，手机旋转后，屏幕图像可以自动跟着旋转并切换长宽比例，文字或菜单也可以同时旋转，使你阅读方便;听MP3时。可能会有人说：这个跟那个重力感应器是一样的？

　　这个两者是不一样的，方向感应器或者叫应用角速度传感器比较合适，一般手机的上的方向感应器是感应水平面上的方位角、旋转角和倾斜角的。这个如果你可能觉得有点理论的话，举个例子吧。有方向感应器的能很好的VR游戏。而只有重力感应器也能玩，但是，结果很令人纠结。

　　为了得到高度真实的试验数据，使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性，这些特性是怎样互相影响的，整个环境对这些特性是如何影响的，以及加速度计对被测运动是如何影响的。

　　加速度计是关键的测量元件，有多种设计型式供选用。每种设计型式都为某些特定用处设计的，目的是为获得高保真的测量数据。

　　工程师们应认真地分析测量的要求，选用最合适的加速度计，通常要在灵敏度，重量和频响范围三者之间比较，做出最合适的选择。

　　传感器主要工作特性分为有效响应与乱真响应两类。

　　●有效响应effecTIve response

　　在传感器灵敏轴方向上，由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。这种响应是正确使用传感器进行测量，取得可靠数据所期望的。

　　●乱真响应spurious response

　　在使用传感器测量机械振动或冲击时，由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。这种响应是干扰正确测量的，是不期望的。（见国家标准GB/T 13823.1-93）

　　有效响应主要有：

　　灵敏度；幅频响应和相频响应；非线性度。

　　乱真响应主要有：

　　温度响应；瞬变温度灵敏度；横向灵敏度；旋转运动灵敏度；基座应变灵敏度；磁灵敏度；安装力矩灵敏度；对特殊环境的响应。（见国家标准GB/T 13823.1-93）

　　●灵敏度：（SensiTIvity）

　　输出量与输入量之比。

　　●参考灵敏度：（Reference SensiTIvity）

　　在给定的参考频率和参考幅值下传感器的灵敏度值。

　　传感器灵敏度越高，测量系统的信噪比就越大，系统就不易受静电干扰或电磁场的影响。对某种具体的加速度计设计型式来说，灵敏度越高，则传感器越重，共振频率也越低。因此选用多大灵敏度受其重量和频率响应的制约。

　　一般情况下，传感器的灵敏度包括幅值与相位两个信息，是随频率变化的复数量。

　　●幅频响应和相频响应

　　在输入的机械振动量值不变的情况下，传感器输出电量的幅值随振动频率的变化，称为幅频响应。而输出电量的相位随振动频率的变化，称为相频响应。

　　在工作频段内连续地改变振动频率，且维持输入的机械振动量幅值不变，同时观测传感器的输出，便可测定幅频响应。若同时测量传感器输出电量与输入机械振动量间的相位差，则又可测定相频响应。

　　一般情况下，只要求知道幅频响应。在接近传感器上、下限频率处使用传感器，或有要求时，则必须知道相频响应。

　　●非线性度

　　在给定的频率和幅值范围内，输出量与输入量成正比，称为线性变化。实际传感器的校准结果与线性变化偏离的程度，称为该传感器的非线性度。

　　在由最小值到最大值的传感器动态范围内，逐渐增大输入的机械振动量，同时测量传感器输出幅值的变化，便可测定传感器的输出值与线性输出值的偏差量。在使用正弦振动发生器进行测定时，可在传感器的工作频率范围内选定几个频率进行，以覆盖传感器整个动态范围。

　　一般在传感器动态范围的上限附近传感器的输出值与线性值的偏差量最大。所允许的偏差量取决于具体测量的要求。

　　对压电加速度计，一般用在一定的加速度范围内，其灵敏度增加的百分数来表示非线性度。压阻式，变电容式加速度计在其动态范围内线性度较好，它代表了非线性、滞后和非重复性的综合值。

　　●质量负载的影响

　　如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰减。为此在诸如印刷电路板等又薄又轻的片状构件上测振时，为了得到准确的数据必须采用重量轻的加速度计。如果被测物件呈现单自由度的响应，则加速度计将使其共振频率下降。在所有的模态试验中必须使用微型加速度计。

　　●低频响应

　　使用压电加速度计时，所用放大器低频截止频率多为2－5Hz，目的是以此来剔除许多压电传感器的热释电输出。像隔离剪切式设计等隔离性好的设计型式可用在较低的频率。压阻式和变电容式加速度计则具有零频响应。

　　●高频响应

　　加速度计的高频响应随加速度计的机械性能和安装方法而变。在安装牢固时，大多数加速度计呈现无阻尼单自由度系统的频响特性。以±5%为要求的话，其频率响应约平整到安装共振频率的五分之一。如果加适当的修正因数，则可在更高的频率上得到有用的数据。

　　●温度响应

　　传感器灵敏度随温度的变化，称为传感器的温度响应。用测试温度下的灵敏度与室温下的灵敏度之差相对于室温灵敏度的百分数来表示。

　　常用压电加速度计的温度范围为零度以下至+177°C或+260°C。某些特定型号，低温可达绝对零度，高温可达760°C。很多种压电加速度计设计型式在很宽的温度范围内的温度响应很平。压阻式、变电容式加速度计的典型温度范围为－18°C～+93°C。

　　●压电传感器的瞬变温度灵敏度

　　具有热释电效应的传感器在瞬变温度作用下将产生电输出，该输出的最大值与传感器灵敏度和温度改变量乘积的比值称为瞬变温度灵敏度。

　　在温度产生变化时，压电元件会产生输出信号，这称之为热释电效应。试件或气流温度的突变会引起这种温度变化。大多数情况下这种效应是很低频的，只有信号适调仪的响应在1赫以下，才能检测到。如果信号适调仪有级间高通滤波器，则应特别注意，热释电信号可能会使放大器饱和，使它短时间不工作。

　　基座隔离式，剪切式，隔离剪切式设计的热释电效应较小。压阻式，变电容式的这种效应是可以忽略的。

　　●横向灵敏度

　　对于单向测量来说，要求加速度计不得对被测物体的横向运动产生任何响应是十分必要的。但加速度计总是有一定的横向灵敏度，它与横向振动的方向有关，其横向灵敏度一般为轴向灵敏度的1～5%。恩德福克对每个加速度计进行横向灵敏度校准并给出其最大值。

　　●横向灵敏度比

　　在与传感器灵敏轴垂直的方向上受到激励时传感器的灵敏度，称为横向灵敏度。横向灵敏度与沿灵敏轴方向上的灵敏度之比，称为横向灵敏度比。

　　●旋转运动灵敏度

　　某些直线振动传感器对旋转运动是敏感的。在进行试验时必须小心。以免造成测量误差。

　　●基座应变灵敏度

　　在传感器基座产生应变时会引起不应有的信号输出，该输出值与传感器灵敏度和应变值乘积的比值，称为基座应变灵敏度。

　　在某些试验中，加速度计安装处可能会存在动态弯曲、扭转、拉伸等。由于与应变区紧密接触，加速度计底座也会发生应变。部分应变会传给敏感元件，从而产生与振动运动无关的输出信号。

　　剪切式设计的加速度计要比压缩式的对基座应变的敏感程度小一个数量级。应用绝缘安装螺钉或粘贴式转接件可以减小这种影响。

　　●磁灵敏度

　　传感器被置于磁场中会产生的不应有的信号输出，该输出值与传感器灵敏度和磁场的磁感应强度乘积的比值，称为传感器的磁灵敏度。

　　●安装力矩灵敏度

　　采用螺纹安装的传感器，安装力矩的变化会引起灵敏度发生变化。施加1/2倍规定安装力矩或施加2倍规定安装力矩时的灵敏度与施加规定安装力矩时的灵敏度之差值，相对于施加规定安装力矩时灵敏度的比值的百分数，称为安装力矩灵敏度。

　　●特殊环境的响应

　　在强静电场、交变磁场、射频场、声场、电缆影响、核辐射等的特殊环境下，某些传感器会受到严重的影响，这些物理因素将引起传感器产生乱真响应。

　　压电式加速度传感器的原理结构

　　压电式加速度传感器，又称压电加速度计。它是利用压电材料的压电效应工作的。 所谓压电效应，是指某些电介质，当它在一定方向上受到机械外力作用而变形时，其内部就会发生电极化，从而导致电介质的两相对表面上出现大小相等、符号相反的电荷。当外力方向改变时，电荷的极性也跟着改玖其电荷量的大小与外力成正比。当外力去掉后，电介质又恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应。反过来，当在电介质的极化方向上外加电场时，它就会产生变形，这种现象称为逆压电效应。压电加速度计是利用正压电效应工作的。

　　具有压电效应的电介质称为压电材料。在自然界中，具有压电效应的物质很多，但大多数共效应很微弱，只有少数如石英晶体、压电陶瓷等才有较强的压电效应。

　　压电加速度计的结构型犬有压缩型、剪切型和弯曲型三种，图11—5为压缩型加速度计结构示意图。其敏感元件是压电晶体片4，晶体片上压一个质量块3，用一个刚度较大的弹簧2对这个质量块施加一个预紧力，并将它们绽在一个带有厚的基座6的金属外壳1内。当加速度计安装在被测扳动物体上而随之板动时，质量块就产生一个正比于振动加速度的力作用在压电晶体片上，根据正压电效应，在晶体片两相对的表川上就产生交变的电材，共大小与作用力成正比，田质量块的质量固定不变，所以晶体片上的电荷与扳动加速度成正比。

　　压电加速度计只有体积小、质量轻、结构坚实、频带宽、灵敏度高、测量范围宽等优点，因此应用最为广泛。压电加速度计的稳定性较好，在振动计量中，往往作为标准加速度计使用。

　　它主 要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整 个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。质量块一般由体 积质量较大的材料（如钨或重合金）制成。预压弹簧的作用 是对质量块加载，产生预压力，以保证在作用力变化时，晶 片始终受到压缩。整个组件都装在基座上。为了防止被测 件的任何应变传到压电晶片上而产生假信号，基座一般要 求做得较厚。基座与被测物体刚性固定在一起。

　　当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，所以，在 压电元件的两个表面上产生交变电压或电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器 输出的电压或电荷与作用力成正比，从而可得知被测物体的加速度。