压电式加速器传感器

1、2013-4-16 系统简述一 压电式加速度传感器二 信号放大和滤波三 AD转换四 计算五 辅助电路六 输出压电加速度传感器压电加速度传感器1 工作原理 压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。 压电加速度传感器的原理如图所示。实际测量时,将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。 当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。一般来说，加速度计尺寸越大 ，

2、其固有频率越低。 第6章 压电传感器晶体的压电效应 当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时,在其表面上会产生电荷(束缚电荷),这种效应称为压电效应。晶体的这一性质称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的,即晶体在外电场的作用下要发生形变,这种效应称为逆压电效应。第6章 压电传感器 晶体的压电效应 晶体的压电效应可用下图加以说明。一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩(即极化强度)等于零,晶体对外不呈现极性,而在外力作用下晶体形变时,正负电荷的中心发生分离,这时单位体积的电矩不再等于零,晶体表现出极性。2 构成元件 S是弹簧，M是质块，B是基座，P是

3、压电元件，R是夹持环。 中央安装压缩型n图a是中央安 装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。n这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。n此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化, 易引起温度漂移 。温度漂移：环境温度变化时会引起晶体管参数的变化，这样会造成静态工作点的不稳定，使电路动态参数不稳定，甚至使电路无法正常工作。环形剪切型环形剪切型n图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。n由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高

4、工作温度受到限制 。三角剪切形三角剪切形n图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。n这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。 3 幅频特性曲线 n一般小阻尼(z=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率

5、都会有所下降。首页 二二 放大电路放大电路n作用：把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。n压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。n压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。n电压放大器n电荷放大器 等效电路电压放大器acQU dFQ aCdFUaCFdUaiCjcjRcjRUU111)(1accRjRjFdRccctgCCRRdFUicaamim)(2)(1)(1222）（相频：幅频：当时，与电缆电容有关icamimCCCdFU)(当时，00)0(imU电荷放大器n运算放大器输入阻抗很高，故可近似，并将反馈电容折算到输入端 aRiRFicaioCACCCqAUAU)1 ( FCqn输出电压与电缆电容Cc无关，且的影响不明显（由于作了简化假设，表达式上是无关的）n与q成正比n这些优点使得压电传感器基本上都用电荷放大器作为转换电路。 实际应用 n目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了