dl2517b工作原理图9-67为压电式加速度传感器的结构原理示意图。压电传换元件一般由两块压电片(石英晶片或压电陶瓷片)组成。在压电片的两个表面上镀银层,并在银层上焊接输出引线,或在两压电片之间夹一片金属薄片,引线就焊接在金属薄片上。输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个质量块,质量块一般采用比重较大的金属钨或高比重合金制成,在保证所需质量的前提下,使体积尽可能小。为了消除质量块与压电元件之间,以及压电元件本身之间因加工粗糙造成的接触不良而引起的非线性误差,并且保证传感器在交变力的作用下正常工作,装配时应对压电元件施加预压缩载荷。图9-67中所示的是利用硬弹簧对压电元件施加预压缩载荷的。除此之外,还可以通过螺栓、螺帽等对压电元件预加载荷。静态预载荷的大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能承受的最大动.

图9-67 压电式加速度,传感器结构原理图,1一壳体;2一弹簧;3一质量块;4一压电片;5一输出端。

应力这样,当传感器向上运动时,质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力增加;反之,当传感器向下运动时,压电元件上的压应力减小。

传感器的整个组件装在一个厚基座上,并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去,避免由此产生的假信号,所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造,如钛合金、不锈钢等。壳体和基座的质量差不多占传感器总重量的一半。测量时,将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器承受振动时,由于弹簧的刚度相当大,而质量块的质量相对较小,可以认为质量块的惯性很小。因此,质量块感受与传感器基座(或试件)相同的振动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就有一个正比于加速度的交变力作用在压电元件上。由于压电元件具有压电效应,因此,在它的两个表面上产生交变电荷(或电压)。当试件的振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器输出电荷(或电压)与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比。经专用放大器(电压放大器或电荷放大器)放大后即可测出试件的加速度。

灵敏度是表征压电式加速度传感器性能的一个重要指标,它的定义是输出量(电荷或电压)与输入量(加速度)的比值。当传感器与电荷放大器配合使用时,用电荷灵敏度kq表示;与电压放大器配合使用时,则用电压灵敏度Κi表示。其一般表达式如下:

kq=u (cs2/m)               (9-34)

或

Κu=ui(vs2/m)

式中 g一压电式传感器输出电荷量(c);

ia一传感器的开路电压(v);

ui 被测加速度(m/s2)。

倒置中心压缩型,如图9-68(d)所示。由于中心柱离开了基座,避免了基座应变的影响。但是,这种结构形式的传感器装配比较困难。

剪切型加速度传感器,剪切型加速度传感器是利用压电元件受剪切应力而产生压电效应。按压电元件的结构形式,可分为环形剪切型、三角剪切型、隔离剪切型等加速度传感器。以下通过分析环形剪切型加速度传感器,来了解剪切型加速度传感器的原理。

如图9-69所示,环形剪切型加速度传感器的圆环形压电陶瓷和质量环套在传感器的中心柱上。压电陶瓷的极化方向平行于传感器的轴线(z轴),如图9-70(a)所示。当传感器受到轴向振动时,质量环由于惯性产生一滞后,使压电陶瓷受到一个剪切应力的作用,并在其内外表面产生电荷(如图9-70(b)所示)。其电荷密度σ2=u4f。因为压电陶瓷的x轴和y轴等效,所以也可按σ1=u5飞计算。

环形剪切型加速度传感器的灵敏度和频响都很高,横向灵敏度比压缩型小得1一外壳;2一中心柱;3一质量块; 多,而且结构简 4一压电陶瓷;5一基座单,体积小,重环形剪切型压电式,加速度传感器量轻(小至零点几克),有利于传感器的微型化。 

y但是,由于压电陶瓷与中心柱之间,以及惯性质量环与压电陶瓷之间要用环氧树脂胶粘结,要求一次装配成功,因此成品率受到影响。更主要的是由于胶的作用,使用温度被限制在-55~+260压电陶瓷的c范围,这种传感器不适宜在更高的温度环境中 使用。

剪切型加速度传感器由于采用了重心重合的结构,克服了因重心不重合而引起的横向加速度干扰的缺点。因此它比压缩型加速度传感器的横向灵敏度要小得多。此外,由于压电元件通常连接到中心柱上,而不与基座直接接触,有效地隔离了基座应变。而且壳体与弹簧一质量系统隔离,声学噪声和瞬变温度影响也很小。表9-2列出了一组丹麦b・k公司产品性台旨比耸皎。

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