压电式加速度传感器及其应用备课讲稿

压电式加速度传感器的工作原理压电式加速度传感器是一种生物电及机械力学相结合的转换原理，它具有良好的分辨率，感应范围大，可测量低频到高频信号，耐用性高，噪声小，价格便宜等优点，是一种可以用来测量机械加速度的常用检测装置，广泛应用于工业类的检测以及科学研究等领域。

压电式加速度传感器的基本原理是由随着加速度的变化而变化的压电致电势提供动作力，从而产生与加速度成比例的压电致电势。

当加速度发生变化时，压电弹性介质和振子会发生位移，使压电弹簧内外的压电致电压有所变化，真正的压电致电势随加速度的大小变化而变化。

压电式加速度传感器的工作原理无非是电压变化与加速度变化的耦合，它是根据加速度变化而引起的振子两端点的位移在压电介质内发生应变时而产生的压电致电势的变化，来检测加速度变化的。

其实，压电式加速度传感器的工作原理与霍尔传感器的工作原理类似，也是将机械能转换成电能进行检测或控制。

压电式加速度传感器的工作原理主要包括：结构机构、振子位移压电致电势放大与模拟、脉冲滤波、模数转换等。

结构机构是压电式加速度传感器的基础，决定了检测精度和模块尺寸，一般由压电电感装置、振臂、支撑架构成，通过压电介质的有效屏蔽来实现负载的物理上的分割、连接及装置的耐压特性。

振子位移对压电电路的致电势有巨大的影响，因此在电路设计时，必须使得电路对周围环境变化有较高的敏感度，因此采用放大与模拟，以获得良好的灵敏度。

压电式加速度传感器的模拟输出通常是脉冲变化的，需要做滤波处理来使输出信号更加稳定，方便跟踪。

最后，将模拟信号做模数转换，使压电式加速度传感器的输出信号在计算机中能够进行处理。

有时，为了提高分辨率，也会使用DAC（数字可控二极管）放大电路来实现高精度的信号输出。

总之，压电式加速度传感器就是将加速度变化耦合到电压变化，从而实现对加速度变化的检测和测量。

特殊的结构机构、振子位移压电致电势放大、脉冲滤波以及模数转换等技术都是使它实现此目的的关键技能。

第6章 压电式传感器原理及其应用 章
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元Байду номын сангаас具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
铜芯线充当内电极铜网屏蔽层作外电极管状pvdf高分子压电材料为绝缘层最外层是橡胶保护层为承压弹性元件当管状高分子压电材料受压时其内外表面产生电荷可达到测量的目的图620高分子压电电缆2高分子压电电缆的典型应用高分子压电电缆测速系统由两根高分子压电电缆相隔一段距离平行埋设于柏油公路的路面下50mm处如图621所示

由图9-5可知，它采用简谐振子结构形式。激光束通过 分光器分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量 光束。当光纤感受到加速度作用时，由于质量块m对光纤的 作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的 激光束由单模光纤射出后与参考光束汇合产生干涉效应。激 光干涉检测器把干涉条纹的移动经光电接收器件转换为电信 号，通过信号处理电路处理后，便可在显示器上正确地显示 出加速度的测量值。
F ma
图9-1 应变式加速度传感器结构示意图
9.1.2 应变式加速度传感器的测量原理
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物 体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反 的惯性力作用，使悬臂梁变形。该变形被粘贴在悬臂梁上的 电阻应变片感受到，并随之产生应变，从而使应变片的阻值 发生变化。这个变化经过全桥差动测量电路转变成电桥不平 衡电压输出。并且这个不平衡电压Uo的大小与被测物体的运 动加速度a成正比。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-2 压电式加速度传感器结构示意图
9.2.2压电式加速度传感器的测量原理
测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加 速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚 度很大，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相同的振动。这样， 质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应， 便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为
第9章 加速度传感器及其应用案例
9.1 应变式加速度传感器 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 加速度测量显示系统案例
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9.1 应变式加速度传感器
9.1.1 应变式加速度传感器的结构

将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极 后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就 会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当 于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质， 因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器， 其电容值为 Ca = εRε0A/δ
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压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
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休息一下！！
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8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。
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压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
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8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
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本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的 极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相 反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质 也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。

压电式加速度传感器--电荷放大器压电式加速度传感器由于压电片上承受的压力为F=ma ，则在压电片的工作表面上产生的电荷q a 与被测振动的加速度a 的关系为：即q a = S q a比例系数S q 就是压电式加速度传感器的电荷灵敏度，量纲是[PC / ms - 2 ]或[PC / g]。

由于晶体的压电效应，在振动测量中，电极面所产生的电荷为q a = d 11 F 1电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。

由传感器、电缆和电荷放大器组成的等效电路如图所示。

C F为反馈电容，K为放大倍数。

工作原理：忽略R a 和R i 的影响。

)(1u u C q i F F -=()FF i C q u u =-1或（a ）电荷放大器的输入电压是电容C 两端的电位差。

C q q u F a i -=（b ）由电压负反馈电路 u 1=－Ku i （c ）由(a)、(b)、(c)式可得：Fa i C K C q u )1(++=（d ） 所以： Fa C K C Kq u )1(1++-= 因为K >>1，因此，一般情况下，（1+K ）C F >>C ，则有 Fa C q u ≈1F a C q u 1结论：电荷放大器的输出电压与加速度传感器发出的电荷成正比， 与反馈电容C F 成反比，而且受电缆电容的影响很小。

K u 1 u s SC F R F 为使运算放大器工作稳定，一般在反馈电容上跨接一个电阻。

从而组成高通滤波器，选择不同的R F 值，可得不同低截止频率的高通滤波器。

特点：此测量线路(适配器)将电荷信号变换为电信号，输出为电压的变化。

电荷放大器的电路框图如图示特点：由高通、低通滤波器，微积分放大器组成电荷放大器(设备)。

几个主要功能： （1）电路上设置一组负反馈电容C F ，改变C F 值，可以获得不同的放大倍数。

（2）电路上设置有低通及高通滤波器，可以抑制高频噪声信号 及低频晃动信号。

压电式加速度计及力传感器电荷灵敏度相对校准法实验目的1、掌握压电式加速度计及力传感器电荷灵敏度的相对校准方法;2、熟悉压电式传感器与电荷放大器配套使用方法。

实验内容1、用加速度计校准器(Calibrator)校准加速度计电荷灵敏度;2、用同一装置校准力传感器电荷灵敏度。

实验装置及校准原理1、测试系统，见图1。

电荷放大器电压表 2626标准加速度计被校传感器电荷放大器电压表2635 校准器图1 用校准器进行加速度计相对校准示意图2、加速度计校准器。

B&K4291是一种便携式加速度计校准器，它内装固定频率79.6Hz(500rad/s)的正弦信号发生器和低功率放大器，可驱动有内外两个台面的微型振动台，2使台面产生加速度幅值为10?0.2m/s(可通过前面板右下方的旋钮微调)。

见图23、电荷放大器。

为具有很高输入阻抗的适调放大器，与压电式传感器配用，将电荷输出转换为电压输出。

B&K2635和2626电荷放大器前面板上方的一组(三个)灵敏度适调旋钮，可给出nn三位数的设置值(pC/unit);前面板中心的增益旋钮用于设置输出量程(mV/unit);qu电荷放大器增益为G,n/n(mV/pC) uq-2S设加速度计或力传感器的电荷灵敏度为，单位为pC/ms(加速度计)或pC/N(力q传感器)，则传感器与电荷放大器配套后的系统灵敏度为S,S,G,S,n/n qquqSnS在已知传感器的灵敏度情况下，通常使值与一致，此时系统灵敏度为 qqq S,nu此即所谓灵敏度适调。

电荷放大器前面板左下方和右下方分别为高通滤波器和低通滤波器设置旋钮，设置高通和低通的截止频率。

SS已知的标准传感器和待校准的加速度4、加速度计的相对校准法。

将一个电荷灵敏度qq计分别固定在B&K4291校准器内、外台面上，配套电荷放大器2626和2635，并接电压表，如图1。

nS假定2626的值与标准加速度计的一致，n=100mV/unit，微调4291的振幅，qqu使与2626相连的电压表读数为1V(0.707V)，则此时台面振动加速度峰值pkrms2=10.0m/s。

压电式压力传感器原理及应用王佳 050410140摘要：压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用在内弹道试验研究中的使用。

关键词：压电式传感器压力内弹道试验压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer）1.0 压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。

当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。

压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。

1.1 压电式压力传感器的特点压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。

是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成。

压电材料受力后表面产生电荷。

此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。

压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。

由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=kSp式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。

通过测量电荷量可知被测压力大小。

压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。

为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。

在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。

下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。

• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
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6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
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6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应

新材料与新技术的应用
新材料研发
随着科技的进步，新型材料如碳 纳米管、石墨烯等被应用于压电 材料的制备，以提高传感器的灵 敏度和稳定性。
新加工技术
微纳米加工技术的进步使得传感 器尺寸微型化，提高了其响应速 度和测量精度。
提高测量范围与分辨率
测量范围拓展
通过改进结构设计，优化材料性能， 提高压电式加速度传感器的测量范围， 使其能够应对更广泛的加速度波动。
压电式加速度传感器特性
01
长期稳定性、耐腐蚀、抗疲劳，适用于桥梁健康监测。
应用原理
02
在桥梁的关键部位安装压电式加速度传感器，实时监测桥梁的
振动和变形情况，评估桥梁的健康状况。
优势与效果
03
能够及时发现桥梁的结构损伤和异常振动，为桥梁的维护和加
固提供科学依据。
地震监测
压电式加速度传感器特性
高灵敏度、宽动态范围、可靠性高，适用于地震监测。
分辨率提升
采用信号放大、噪声抑制等手段，提 高传感器的分辨率，使其能够检测到 更小的加速度变化。
温度补偿与交叉灵敏度抑制
温度补偿技术
为消除温度对传感器性能的影响，采 用温度补偿技术，如热敏电阻、温度 传感器等，实时监测并修正温度变化 对测量结果的影响。
交叉灵敏度抑制
通过改进传感器结构和材料组合，降 低交叉灵敏度，提高传感器在多轴方 向上的测量精度。
03 压电式加速度传 感器的应用
在振动测量中的应用
压电式加速度传感器由于其高灵敏度、低噪声、抗干扰能力强等特点，在振动测量 领域中得到了广泛应用。
在振动测量中，压电式加速度传感器通常被用来测量结构的振动速度、位移和加速 度等参数，以评估结构的动态特性和稳定性。

压电式传感器原理及应用压电效应是指一些晶体材料在受到外力作用时，会产生电势差和电荷分布不均，即产生电荷偶极矩，从而在外加电场作用下发生形变。

常见的压电材料有石英、陶瓷和聚偏氟乙烯等。

当压电材料受到外力作用时，材料内部的电荷分布会出现改变，从而产生电势差。

此时，可以通过测量电荷或电势差的变化来间接测量外力的大小。

压电式传感器一般由压电材料、电极、保护壳等组成。

当外力作用于传感器的压电材料上时，压电材料会产生电荷偶极矩，从而产生电势差。

电极用来收集这些电荷，并将信号输出到外部电路中进行处理。

为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料上覆盖一层薄膜电极以增加电荷的收集效果。

1.声波传感器：压电式传感器可以用来探测声波的压力和振动。

在市场上常见的麦克风和扬声器就是基于压电效应工作的传感器。

2.加速度计：压电式传感器可以用来测量物体的加速度和振动，常用于汽车、飞机等交通工具中，以及机械设备中对振动进行监测和控制。

3.压力传感器：压电式压力传感器可以用来测量液体和气体的压力，广泛应用于工业自动化控制、航空航天、汽车工业等领域。

4.应变计：压电应变计可以用来测量物体的形变和变形，广泛应用于材料力学测试、结构工程、土木工程、航空航天等领域。

5.流量计：压电式传感器可以用于测量液体和气体的流量，广泛应用于水务系统、天然气供应系统、石油化工等领域。

在这些应用中，压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快、能够直接转换物理量为电信号等优点。

然而，也有一些局限性，比如温度对其工作性能的敏感性较高，需要进行温度补偿以提高精度和稳定性。

总结起来，压电式传感器是一种基于压电效应工作的传感器，适用于多个领域，如声波传感、加速度计、压力传感、应变计和流量计等。

通过测量压电材料产生的电势差和电荷分布，可以间接测量外力的大小和形变情况。

压电式传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但同时也有温度敏感性高的限制。

摘要压电加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压量输出的装置。

由于压电传感器具有结构简单、工作可靠等一系列优点，目前已经成为冲击振动测量中广泛使用的一种传感器。

本文以磁座式安装压电加速度传感器的安装谐振频率为主要研究对象，以理论力学为基础，建立了由磁座、压电加速度传感器及轴承组成的简单测振系统的力学模型，推导出了该系统安装谐振频率的计算公式。

通过对安装谐振频率的数学公式的分析得出，磁座底面半径、磁座高度及磁座剩磁大小是影响安装谐振频率的关键因素。

借助Matlab仿真，设计了磁座底面半径－安装谐振频率、磁座高度－安装谐振频率、磁座剩磁大小－安装谐振频率和磁座底面半径磁座高度－安装谐振频率四个仿真程序，从中得出在磁座剩磁大小比较理想的情况下，当高度在5mm以下时，应该尽量的选择底面半径较小而高度较高的磁座；当高度大于5mm时，选择底面半径和高度均较小的磁座，这样的结构有助于提高测振系统的安装谐振频率的结论。

为了验证上述理论分析的正确性，以轴承出厂时的质量检验为例，以计算机为平台设计了一个虚拟测振仪器，并以自回归谱方法对采集到的轴承振动信号进行了分析，通过理论分析结果与实际测量结果的对比分析看出，安装谐振频率与磁座高度、磁座底面半径及磁座剩磁大小的大体变化趋势基本正确。

同时，对本文测试结果与触针式安装的测量结果进行了比较，突出显示了磁座式安装的优点。

对理论值与实际测量结果之间的差异进行了误差分析，给出二者差异的主要原因，并就此给出了在振动测量中有助于改善测量结果的一些建议。

作为本论文的主要成果，作者给出了轴承振动测量中选择磁座的一般方法，为今后的在振动测量中选择磁座提供参考。

关键词：轴承振动测量磁座剩磁谐振频率自回归分析误差分析AbstractPiezoelectric acceleration sensor is based on piezoelectricity of piezoelectric material, which can transform information of vibration acceleration into electric charge or voltage. Because of its excellent performances in usage such as its simple structure, high reliability, piezoelectric acceleration sensor has been used widely in measurement of vibration and impact.In this paper, the resonant frequency of vibration measurement system with a piezoelectric acceleration sensor mounted on a magnet base is researched. A mechanics model of measurement system, which is composed of magnet base, Piezoelectric acceleration sensor and measured bearing, is set up on the basic of mechanics theory. The mounting resonant frequency of the system is deduced from the mechanics model. By analysis of the mounting resonant frequency, it can be seen that the radius of bottom surface, height and magnetization intensity of the magnet base are the key factors influencing on the mounting resonant frequency. Four emulators based on Matlab are designed to show the relations of mounted resonant frequency to the key factors.The simulation results have shown that a smaller radius and a larger height are useful to promote the mounting resonant frequency when height is less than five Millimeter and a smaller radius and height are beneficial to promote the mounting resonant frequency when height is over five Millimeter.For verifying the theoretical analysis mentioned above, a virtual instrument is constr- ucted to measure and analyze acceleration signals of bearing vibration. The results of autoregression analysis on the measured signals have shown the validity of the theoretical analysis. Comparing with the probe type of piezoelectric acceleration sensor, the magnet based acceleration sensor could acquire the signals with wider frequency band.The difference between the theoretical analysis and experimental results is discussed and reasonable suggestions to improve the measurement of bearing vibration are presented.A general method as reference selected the magnet base of acceleration sensor is also given in this paper for measurement of bearing vibration.Key words: Bearing Measurement of vibration Magnet base Remanence Resonant frequency Auto-regression analysis Analysis of error。

q' =2q； U'=U； C'=2C 图5-22（b）为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板， 而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知， 输出的总电荷 q' 等于单片电荷 q ，而输出电压 U'为单片电压 U 的二倍，总 电容 C' 为单片电容 C 的一半，即
当膜片 5 受到压力 P 作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片
上所产生的电荷 q 为
q=d11F=d11SP
式中 F——作用于压电片上的力；
(5-42)
d11——压电系数； P ——压强，P=F/S；
S ——膜片的有效面积。
测压传感器的输入量为压力 P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则 根据灵敏度的定义有：
第五章习题
5.7 .分析压电式加速度计的频率响应特性。若测量电路的总电容 C= 1 000 pF，总电阻 R= 500 MΩ,传感器机械系统固有频率 f0=30 kHz，相对阻尼 系数ξ=0.5，求幅值误差小于 2 %时，其使用的频率范围 。
5.8.用石英晶体加速度计测量机器的振动,已知加速度计的灵敏度为 5 pC/g （g为重力加速度，g＝9.8 m/s2），电荷放大器灵敏度为 50 mV/pC，当机 器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为2V。试计算机器的振动加速 度。
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（5-35） （5-36）
§5-4 压电式传感器的应用
相频特性



arctan
2

0

压电式加速度传感器摘要：本文介绍了压电式加速度传感器的结构和工作原理，推导了传感器的数学模型，并分析了测量电路，压电传感器的产生零漂现象的各种原因，并针对这些原因提出相应的解决措施。

关键词：压电式；加速度传感器；零漂1 引言现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。

所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。

它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。

振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。

压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。

压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、体育、制造业、军事、航空航天等领域都得到了非常广泛的应用。

加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，加速度传感器主要分为压阻式、电容式、应变式、压电式、振弦式、挠性摆式、液浮摆式等类型。

压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。

2工作原理压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

它是典型的有源传感器。

利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。

压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。

图1 加速度传感器的组成框图支座图2 压电加速度传感器原理图实际测量时，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)。

压电式加速度传感器工作原理
压电式加速度传感器是一种常用的传感器技术，常用于测量物体的加速度。

其工作原理是基于压电效应。

压电效应是指在某些特定的晶体材料中，当施加机械力或应变时，会产生电荷分离或电势差。

压电效应与压电晶体的晶格结构以及晶体材料的各向异性有关。

压电式加速度传感器通常由压电晶体、质量块和外壳组成。

当加速度作用于传感器时，晶体和质量块会发生相对位移，导致晶体产生应力。

晶体的应力引起了内部电荷的重分布，产生了电势差。

通过测量这个电势差，可以确定加速度的大小。

具体的工作原理可以通过以下步骤来解释：首先，当加速度传感器暂时静止时，晶体和质量块处于平衡状态，没有相对位移。

此时晶体中的电荷处于均衡状态。

然后，当加速度传感器受到加速度作用时，晶体和质量块发生相对位移，导致晶体产生应力。

这种应力会导致晶体内的电荷重新分布，使其表面出现电势差。

最后，通过测量晶体表面的电势差，就可以确定加速度的大小。

总之，压电式加速度传感器的工作原理是利用压电效应来测量加速度。

当加速度作用于传感器时，压电晶体产生应力，引起内部电荷分离，最终通过测量电势差来确定加速度的大小。