【摘要】簡述了壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理。說明了該傳感器靈敏度的線性度問題，分析了其正向反向靈敏度的差異與“飽和現(xiàn)象”，以便在生產(chǎn)、鑒定與使用時加以注意。?

1 傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理?
    壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。        
    常用的壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式如圖1。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖1（a）是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化， 易引起溫度漂移。圖1（b）為環(huán)形剪切型結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率和加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高溫度受到限制。圖1（c）為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。
           
圖1   壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式圖

就其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言，壓縮式壓電傳感器(加速度計)第三種結(jié)構(gòu)形式與前兩種相同，原理也相同，所不同的是其敏感元件的安裝方向倒置了。所以，對于同一加速度輸入，其響應(yīng)極性正好相反，即軸向靈敏度的方向相反。前兩種型式的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2。??
                       
圖2   壓縮式電傳感器結(jié)構(gòu)圖                
    它們由預(yù)緊彈簧、慣性質(zhì)量、壓電晶體片、墊片、連桿、鎖緊螺母、殼體和基座等組成。當(dāng)固定在被測物體上的傳感器隨物體運(yùn)動時，其慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性作用力作用在壓電晶體片上，壓電晶體片產(chǎn)生與此作用力成比例的變形，由于壓電晶體片的壓電效應(yīng)，便產(chǎn)生與壓電元件變形成比例的電荷，此信號由輸出端引出。在此傳感器中，壓電晶體片既是敏感元件又是彈性元件。一般把壓電晶體片看成無質(zhì)量的彈簧。慣性質(zhì)量塊為絕對剛性。預(yù)緊彈簧與墊片的質(zhì)量均忽略不計。所以該傳感器可簡化成單自由度系統(tǒng)，見圖3，其固有頻率為：?
                    
    式中： K為圓板形壓電晶體片的剛度；ms為慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量；E為壓電晶體片的楊氏模量；D為壓電晶體片的直徑；t為各晶體片的厚度；mb為傳感器基座和殼體的質(zhì)量。??
                    
圖3  壓縮式電傳感器原理圖
m-慣性質(zhì)量；s-彈簧；b-基座
                                            
    所謂壓電傳感器的軸向靈敏度就是在一定條件下其指定的電輸出量與軸向指定的機(jī)械輸入量的比值，即：
??                  
    檢查靈敏度幅值線性度時，傳感器靈敏度的方向性可根據(jù)外加軸向機(jī)械運(yùn)動的方向而定；若外加運(yùn)動使慣性塊慣性力方向指向傳感器的基座時，輸出靈敏度方向?yàn)檎�向，若外加運(yùn)動使慣性質(zhì)量塊的慣性力方向背向傳感器基座時，輸出靈敏度為負(fù)向。例如將壓電傳感器固定在跌落沖擊臺的上安裝臺面時，在沖擊時產(chǎn)生的靈敏度為正向，若將壓電傳感器固定在其下安裝臺面時，沖擊時產(chǎn)生的靈敏度為負(fù)向。而對于倒置中心安裝式傳感器的靈敏度剛好相反。

2 正反向靈敏度的比較?
    所謂幅值線性度檢查是在規(guī)定的加速度范圍內(nèi)檢查傳感器的靈敏度隨不同加速度的變化情況。幅值線性度可以采用諧振梁法和沖擊法進(jìn)行檢查。沖擊法比諧振梁法可達(dá)到的最大加速度值高得多，現(xiàn)介紹沖擊法試驗(yàn)的情況。?
    把被檢定的壓電傳感器先后固定在G-1000型沖擊裝置的沖錘臺面上或下面，當(dāng)檢查正向靈敏度時，將傳感器正向固定在沖錘之上；當(dāng)檢查負(fù)向靈敏度時，則將它反向固定在沖錘之下。壓電傳感器的輸出信號均經(jīng)同一臺B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然后由同一臺2606型測量放大器再放大并指出峰值，因而排除了二次測量儀表的不同而產(chǎn)生的影響。該沖擊裝置在某一高度多次跌落沖錘時產(chǎn)生的加速度重復(fù)性較好；由于壓電式加速度計的質(zhì)量差異不大，在安裝一只加速度計的情況，對于同一跌落高度，不同傳感器對沖錘加速度的影響可忽略不計。通過測試發(fā)現(xiàn)，在同一跌落高度，當(dāng)改變被測傳感器時，沖擊加速度的增長(或持續(xù))時間也不變。因此只采用改變沖錘跌落高度的方法控制沖擊加速度幅值。?
    加速度幅值線性度可根據(jù)最小二乘法計算，其值為：
 ??           ?
式中：So為截距；S為在加速度為a時的靈敏度。?
    對于幾種加速度計的測試結(jié)果示于表1。可以發(fā)現(xiàn)，對不同的壓縮式傳感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當(dāng)輸入加速度值較小時，加速度計的幅值線性度、重復(fù)性和穩(wěn)定性都較好；當(dāng)輸入加速度值較高時( 大于1 000 m／s2)，這些性能變差。對于同一只傳感器，其正向與反向靈敏度有差異，發(fā)現(xiàn)有兩方面的問題 ： (1)當(dāng)輸入加速度幅值不太高時，傳感器的正向靈敏度可以大于也可能小于其反向靈敏度，隨不同的傳感器而異；(2)當(dāng)輸入加速度幅值較大時，傳感器的正向與反向靈敏度的差值隨之增加。當(dāng)加速度幅值增加到某個量值時，其反向靈敏度出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象”，即再繼續(xù)增加輸入加速度幅值時，傳感器的靈敏度變化不大或無變化。此時的輸入加速度幅值稱為“飽和加速度(as)”。不同的傳感器as值也不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，我國生產(chǎn)的壓縮式傳感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測量范圍也較小。相反，當(dāng)輸入加速度幅值增大到一定程度時，傳感器的正向靈敏度不正常，甚至?xí)��?dǎo)致傳感器損壞，這時的輸入加速度幅值稱為“失效加速度(a f)”。一般情況下，｜af｜＞｜as｜，從af到-as的區(qū)間稱為傳感器的測量加速度范圍。??
 
表1  幾種加速度計的測量結(jié)果
 
3 壓縮式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題的分析?
    壓電傳感器是一種利用壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的變換器。因?yàn)樗�具有若干�?yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動與沖擊參量的測量。壓電傳感器基本上有壓縮式、剪切式和彎曲式3種形式。衡量這種傳感器的參數(shù)有數(shù)個，其中主要是靈敏度。按照一般檢定規(guī)程規(guī)定，要求采用沖擊法和諧振梁法檢查傳感器靈敏度的幅值線性度；但各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不夠確切，只是泛指幅值線性度。實(shí)質(zhì)上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對于有正負(fù)極性的二次指示儀表，測量高g(1g＝10 m／s2)值振動以及需要反向安裝傳感器的沖擊情況(即測量負(fù)脈沖沖擊加速度)，若僅僅檢查傳感器的正向靈敏度幅值線性度是不夠的，還應(yīng)檢查其“反向靈敏度線性度”，以便使傳感器得出正確的測試數(shù)據(jù)。在我國，壓縮式壓電傳感器的使用和生產(chǎn)量較大，為此，談?wù)剦嚎s式壓電傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題。
    壓縮式壓電傳感器的靈敏度與其對輸入加速度的響應(yīng)情況有關(guān)。實(shí)際上，傳感器是多自由度系統(tǒng)，可等效為圖4所示的系統(tǒng)。影響系統(tǒng)響應(yīng)的因素很多，如預(yù)緊彈簧、慣性質(zhì)量、壓電晶體片、墊片、連桿、基座 、鎖緊螺母等的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材料性質(zhì)有關(guān)。對于給定的傳感器，這些因素就固定了。則某個傳感器正反向靈敏度的差異及反向靈敏度的“飽和現(xiàn)象”主要與傳感器零件的加工情況、工藝水平及組裝方法有關(guān)。
                   
圖4   壓電傳感器的等效示意圖
m-慣性質(zhì)量；P-壓電晶體片
S-彈簧；W-墊片；B-基座

3.1 正反向靈敏度的差異?
    這主要由各部件間的接觸剛度的不同和變化引起的。實(shí)際上，壓縮式壓電傳感器的作用原理如圖4所示 。其剛性元件與彈性元件均不處于理想狀態(tài)，它們相互之間存在一種接觸剛度。由于各個部件加工的光潔度不同，緊固螺紋不同以及壓電晶體片表面金屬膜的厚度、均勻度、光潔度不同，由于裝配過程安裝部件的相對位置不同及安裝力矩的差異，所以各部件間的接觸剛度不同。這種接觸剛度直接影響壓電傳感器系統(tǒng)的有效剛度。因而使各個壓縮式傳感器的靈敏度幅值線性度不一樣。??
    接觸剛度比預(yù)緊彈簧的剛度大得多，當(dāng)外加加速度很小時，它的作用不明顯，致使傳感器的正反向靈敏度的幅值線性度基本相同；當(dāng)外加加速度很大時，接觸剛度開始起作用，又因?yàn)榻佑|剛度是非線性變化的物理量，因而使傳感器的線性變差，而且使其正反向靈敏度的幅值線性相差較大。可以推知，這種接觸剛度也會影響傳感器的長期穩(wěn)定性。?

3.2 “飽和現(xiàn)象”?
    這主要是預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力不足造成的。彈簧經(jīng)過調(diào)整后，若預(yù)緊彈簧對慣性質(zhì)量塊施加的預(yù)壓力為f ，當(dāng)傳感器受到軸向動態(tài)加速度作用時，則壓電晶體片受到的合成壓力為：
 ??             
式中：m為等效慣性質(zhì)量(包括預(yù)緊彈簧、墊片及壓電晶體片自身的質(zhì)量)。當(dāng)正向安裝時，的符號為正。當(dāng)反向安裝時，的符號為負(fù)。所以，當(dāng)傳感器基座向上加速運(yùn)動時，慣性質(zhì)量塊有向下運(yùn)動的趨勢，因而產(chǎn)生一個指向基座的慣性力，使壓電晶體片上的壓縮力增大；相反，當(dāng)傳感器基座向下加速運(yùn)動時 ，慣性質(zhì)量塊有向上運(yùn)動的趨勢，產(chǎn)生背向基座的慣性力，則使壓電晶體片上的壓縮力減小。由式(5)可以看出 ，對于反向安裝的情況，當(dāng) =f時，F(xiàn)≤0，壓電晶體片的壓縮力不存在，它只承受自身負(fù)載的作用，所以出現(xiàn)了“飽和現(xiàn)象”。?
    要想增大“飽和加速度”的數(shù)值，就得加大對預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力。預(yù)緊彈簧對慣性質(zhì)量塊的靜態(tài)預(yù)壓力必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳感器基座在沖擊振動過程產(chǎn)生的最大動態(tài)應(yīng)力。可是，此預(yù)緊力不能無限增高。由式(5)可知，若增加預(yù)緊力，則在正向安裝的情況，壓電晶體片所承受的壓縮力提高，相對地說，只有使動態(tài)應(yīng)力值減小才能使傳感器保持相同的強(qiáng)度，所以降低了“失效加速度”的數(shù)值，這個靜態(tài)預(yù)緊力通過試驗(yàn)方法確定 。?
    鑒于上述分析可以看出，當(dāng)被測加速度的動態(tài)范圍很大時，壓縮式壓電傳感器的幅值線性度變差；被測加速度超過1 000 m／s?2時，正向與反向加速度靈敏度存在一定的偏差。對于要求測量反向沖擊加速度值的傳感器，必須進(jìn)行反向靈敏度幅值線性度的檢定，以減小測量誤差。檢定規(guī)程對壓電加速度的幅值線性度規(guī)定比較嚴(yán)格，對于壓縮式傳感器而言，實(shí)質(zhì)上是指正向靈敏度，若想兼顧反向靈敏度就會超差，為此應(yīng)對其反向靈敏度的幅值線性做專門的補(bǔ)充規(guī)定。?　

                               參考文獻(xiàn)
[1]黃繼昌，徐巧魚，張海貴，傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例［M］北京：人民郵電出版社1998.
[2] 雷玉堂，王慶友，光電檢測技術(shù)［M］北京：中國計量出版社1997?
[3]欒桂冬，張全鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣［M］北京：北京大學(xué)出版社，1990.?
[4]王矜奉，姜祖桐，石瑞大.壓電振動［M］.北京： 科學(xué)出版社，1989.88-136.?
[5]孫寶元，張貽恭?壓電石英傳感器及動態(tài)切削測力儀［M］北京：計量出版社，1985.?
[6]唐納德 L，哈孟德著；潘景程譯.石英晶體片元件設(shè)計導(dǎo)論［M］北京：宇航出版社，1987.
[7]張國忠，趙家貴，檢測技術(shù)［M］北京：中國計量出版社1998