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壓電式加速度傳感器原理

壓電式加速度傳感器，又稱壓電加速度計(jì)，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作的，所謂壓電效應(yīng)，是指某些電介質(zhì)，當(dāng)它在一定方向上受到機(jī)械外力作用而變形時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)發(fā)生電極化，從而導(dǎo)致電介質(zhì)的兩相對(duì)表面上出現(xiàn)大小相等、符號(hào)相反的電荷。  

當(dāng)外力方向改變時(shí)，電荷的極性也跟著其電荷量的大小與外力成正比。當(dāng)外力去掉后，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)反過來，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上外加電場(chǎng)時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，壓電加速度計(jì)是利用正壓電效應(yīng)工作的。

具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料，在自然界中，具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，但大多數(shù)共效應(yīng)很微弱，只有少數(shù)如石英晶體、壓電陶瓷等才有較強(qiáng)的壓電效應(yīng)。

壓電式加速度傳感器技術(shù)參數(shù)

工作溫度　-196～+200℃

測(cè)量范圍　0.001～800MPa

重復(fù)性　0.5～1%FS

靈敏度　0.2～1000PC/MPa

非線性　0.3～1%FS 遲滯　1%FS

固有頻率　75～500kHz

溫度漂移　0.02～0.5%FS/℃

加速度靈敏度　0.01～100MPa/g

靈敏度溫度系數(shù)　0.02～0.5%/℃   

壓電式加速度傳感器的選擇方法 

一、靈敏度的選擇  

制造商在產(chǎn)品介紹或說明書中一般都給出傳感器的靈敏度和參考量程范圍，目的是讓用戶在選擇不同靈敏度的加速度傳感器時(shí)能方便地選出合適的產(chǎn)品，最小加速度測(cè)量值也稱最小分辨率，考慮到后級(jí)放大電路噪聲問題，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可用值，以確保最佳信噪比。最大測(cè)量極限要考慮加速度傳感器自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓。  

估算方法：最大被測(cè)加速度×傳感器電荷（電壓）靈敏度，其數(shù)值是否超過配套儀器的最大輸入電荷（電壓）值。建議如已知被測(cè)加速度范圍可在傳感器指標(biāo)中的“參考量程范圍”中選擇（兼顧頻響、重量），同時(shí)，在頻響、質(zhì)量允許的情況下，盡量選擇高靈敏度的傳感器，以提高后續(xù)儀器輸入信號(hào)，提高信噪比。在兼顧頻響、質(zhì)量的同時(shí)，可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度：以電荷輸出型壓電加速度傳感器為例：  

1. 土木工程和超大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)在0.1g-10g（1g=9.81m/s2）左右，可選電荷靈敏度在300pC/ms-2～30pC/ms-2的壓電加速度傳感器，屬于電荷輸出型壓電加速度傳感器。  

2. 特殊的土木結(jié)構(gòu)（如樁基）和機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)在100ms-2～1000ms-2，可選擇20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度傳感器。  

3. 沖擊，碰撞測(cè)量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可選則傳感器靈敏度是0.2pC/ms-2～0.002pC/ms-2的加速度傳感器。  

二、頻率選擇  

制造商給出的加速度傳感器的頻響曲線是用螺釘剛性連接安裝的。  

一般將曲線分成二段：諧振頻率和使用頻率。使用頻率是按靈敏度偏差給出的，有±10%、±5%、±3dB。諧振頻率一般是避開不用的，但也有特例，如軸承故障檢測(cè)。選擇加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)高于被測(cè)試件的振動(dòng)頻率。有倍頻分析要求的加速度傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)更高。土木工程一般是低頻振動(dòng)，加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz～1kHz，機(jī)械設(shè)備一般是中頻段，可根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、設(shè)備剛度等因素綜合估算振動(dòng)頻率，選擇0.5Hz～5kHz的加速度傳感器。如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rms時(shí)，除以60s此時(shí)它的主頻率為50Hz。碰撞、沖擊測(cè)量高頻居多。  

加速度傳感器的安裝方式不同也會(huì)改變使用頻響（對(duì)振動(dòng)值影響不大）。  

安裝面要平整、光潔，安裝選擇應(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。我們給出同一只RC6500S加速度傳感器不同安裝方式的使用頻率：螺釘剛性連接（±10%誤差）10kHz;環(huán)氧膠或“502”粘接安裝6kHz;磁力吸座安裝2kHz；雙面膠安裝1kHz。由此可見，安裝方式的不同對(duì)測(cè)試頻率的響應(yīng)影響很大，應(yīng)注意選擇。加速度傳感器的質(zhì)量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，質(zhì)量大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。

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