压电式加速度传感器

压电式传感器测加速度的原理说起来压电式传感器测加速度的原理，这还真是个有意思的话题。

你别看它听起来挺高深，其实啊，咱要是细究起来，也是能品出几分趣味来的。

话说这压电式传感器啊，它可是个机灵的家伙，工作原理也不复杂，说白了就是利用了某些材料的压电效应。

啥是压电效应呢？就好比说你有个宝贝石头，你拿手一碰它，它就能“哎哟”一声叫出来，还给你变出点电来，虽然这比喻不太贴切，但意思就是这么个意思。

实际上呢，这压电效应说的是某些介质材料，你给它施加压力，它就能产生电荷，这就是压电效应。

咱们这压电式传感器里头啊，装了个压电晶体材料，还压了个质量块上去。

你想啊，这质量块可沉了，压在那晶体上，晶体就得受着。

然后呢，这传感器要是跟着啥振动的东西一起振，那质量块也跟着振，它的加速度和振动体的加速度是一样的。

这时候，质量块受到的压力就等于它的质量乘以加速度，这压力就传递到压电晶体上了。

晶体受到压力，就产生电荷，这电荷的多少，还就和那压力成正比呢。

所以啊，这电荷的多少就能表示加速度的大小了。

我这人啊，就喜欢琢磨这些个东西，有时候琢磨得深了，还真能琢磨出点门道来。

就比如说这压电式传感器吧，它不光是测加速度，还能测振动呢。

你想啊，机械设备振动的时候，它也有加速度啊，所以这压电式传感器就能派上用场了。

不光如此，这压电式传感器还有个小优点，就是它体积小、重量轻、抗力强，还不容易受电磁干扰、温度变化的影响。

你说这多好，简直就是个小能手啊。

我记得有一次，我和几个朋友聊起这压电式传感器来，他们也是一脸的好奇。

有个哥们儿还问我：“你说这压电式传感器测加速度，它准不准啊？”我一听这话，就笑了：“准不准？你试试就知道了。

人家可是利用压电效应，那可是物理原理，能不准吗？”说完这话，我自己也忍不住乐了。

所以啊，这压电式传感器测加速度的原理，说起来就是这么个事儿。

它也不神秘，也不复杂，就是利用了压电效应，把加速度转换成电荷，然后再通过电路转换成咱们能读懂的信号。

电荷输出型传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。

实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。

由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。

由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。

北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。

低阻抗电压输出型（IEPE）IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。

压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。

IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。

通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。

IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。

在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。

虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。

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摘要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，也就是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又显得尤其重要。

振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器。

世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。

由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。

压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。

但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。

如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。

因此，与之配套的测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。

目前最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，它能得到与输入电荷成比例的电压输出。

它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。

这对使用者来说非常方便。

但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些因素都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。

本文针对上述情况，对传感器的测量电路做了深入的研究工作，分析了各种测量电路的特点，提出采用一种集成芯片来取代大量分离元件实现电荷转换电路的设想，通过实验验证本设计的可行性和可靠性，对存在的干扰信号做了细致的理论分析，并采取相关办法进行解决，最后和标准电荷放大器的性能进行对比。

实验结果表明本设计是可行的。

关键词:压电加速度传感器测量电路电荷放大器 TLO8AbstractModern industrial and automation of the production process, non-electric physical measurement and control technology will involve a large number of Dynamic test. The so-called dynamic testing means to determine the amount of the instantaneous value and its value varies with time is measured for the continuous measurement of the process variable. It is characterized by dynamic signal, the test system Dynamic characteristics. Dynamic test accurate measurement of vibration and shock is particularly important. Vibration and Chong Chance measured core is a sensor for shock and vibration signal acquisition, the most common is to use a piezoelectric accelerometer Sensors. The world as a value transfer standards high and medium frequency reference standard acceleration sensor Piezoelectric acceleration sensor. Thus, the excellent quality of the piezoelectric acceleration sensor accuracy, long Time stability is something unique to offer. The piezoelectric acceleration sensor can be regarded as a generating High internal resistance of the charge generating components. However, this very small amount of electric charge, and not use the measuring circuit to be measured, Usually the input impedance of the measuring circuit are always smaller, when the charge on the piezoelectric sheet by the measurement circuit Is input resistor leak rapidly introduce measurement errors affecting the measurement results. If the piezoelectric acceleration sensor is not The ancillary measurement circuit used in conjunction with a wide range of applications of piezoelectric accelerometer would be Very large limitations. Therefore, the the accompanying measurement circuit and its hardware implementation is very important.Currently, the most commonly used piezoelectric acceleration sensor measuring circuit is a charge amplifier can be obtained input power Charge proportional to the voltage output. One of its features is to makethe sensitivity of the sensor and cable regardless of the length of the electrical The cable can be up to several kilometers, while in the vicinity of the object to be measured, only a small sensor. This user is very Convenient. But now the charge amplifier circuit is more complex, higher than the price of the machine, the price is not very satisfactory, these factors have a serious impact on the widespread use of the piezoelectric acceleration sensor, and so develop a higher bid, practical charge amplifier is very necessary. For the above, the sensor The measuring circuit to do a thorough research work, the analysis of the characteristics of the various measurement circuit is proposed to adopt a set Into the chip to replace a large number of separate components to achieve the charge conversion circuit is envisaged that the present design can be verified by experiment Feasibility and reliability, a detailed theoretical analysis of the existence of the interference signal, and take approach solutionSummary, the final performance of the amplifier and the standard charge of contrast. The experimental results indicate that the present design is feasible.Key words:Piezoelectric acceleration sensor measuring circuit charge amplifier TLO8图表清单图1-1 测试系统的组成------------------------- 图1-2 压电加速度传感器动态测量系统----------- 图2-1 电桥电路-------------------------------- 图2-2 四个桥臂同时工作的直流电桥------------- 图2-3 两个相邻臂工作的电桥---------------图2-4 两个相对臂工作的电桥------------------ 图2-5 变压器式电桥电路图2-6 紧祸合电感臂电桥图2-7 紧祸合电感臂四端网络和T型网路图2-8 紧祸合电感臂等效电路图2-9 电容式传感器的等效电路图2-10 双T二极管交流电桥图2-11 双T二极管电桥等效电路图2-12 运算放大器式电路图2-13 调频一鉴频电路原理图图3-1 晶体的压电效应图3-2 压电加速度传感器原理图图3-3 作用于压电元件两边的力图3-4 压电加速度传感器的等效电路图3-5 压电加速度传感器测试系统等效电路图3-6 压电加速度传感器简化电路图3-7 简化后的压电加速度传感器电压等效电路图3-8 电荷放大器示意图图4-1 传感器与电荷放大器连接的等效电路图图4-2 电荷放大器电压源实际等效测量电路图4-3 电荷放大器等效电路图图4-4 输入电缆影响的等效电路图4-5 电荷放大器框图图4-6 电荷转换部分电路图4-7 干扰源等效电路图图4-8 适调放大电路原理图4-9 电荷转换电路及适调放大电路图4-10 有源滤波电路原理图图4-11 无源滤波器原理图图4-12 有源滤波器电流回路图图4-13 高通滤波和同相放大电路原理图图4-14 过载指示电路原理图图4-15 过载电路输出特性图4-16 稳压电源电路图4-17 本电荷放大器的主要电路图4-18 ICL7135和ICM7212的接口电路图图5-1 实验装置框图图5-2 实验波形和标准电荷放大器输出波形图5-3 有工频干扰下的信号频谱图5-4 标准电荷放大器TS5865的信号频谱图5-5 屏蔽工频干扰后的信号频谱图5-6 未加低通滤波时本设计的信号频谱图5-7 标准电荷放大器低通上限截止频率为lOK Hz时的信号频谱图5-8 加了1K Hz有源低通滤波器后本设计的信号频谱图5-9 标准电荷放大器低通上限截止频率为1KHz时的信号频谱图5-10 都有1KHz低通滤波的两路信号波形图5-11 标准电荷放大器的直流分量分析图5-12 本设计未加高通滤波器时信号图5-13 本设计加高通滤波器后的信号表1 在不同加速度下本设计和TS5865的电压值比较表2 在不同频率下本设计和标准电荷放大器的灵敏度比值1 前言1. 1 压电加速度传感器在动态测试中的意义随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。

压电加速度传感器的频率特性1、固有共振频率压电型加速度传感器基本上由质量块m、弹性常数k的压电体、空气阻抗等的阻尼器D 以及基座构成的。

图1压电型加速度传感器的弹性质量系现在我们假设没有阻尼器D和外力的情况，如图1（a）此时的共振频率为：m b：基座的质量上式中f n 是弹性质量系（质量块m）的共振频率，用以下公式表示。

图1（b）中，当基座固定在质量无限大的物体上时，mb远大于m，f0约等于fn。

我们将fn 称为不衰减固有共振频率。

接下来我们假设有衰减的情况，实际上自由振动不可能一直进行，一定会受到某些衰减并随时间变弱。

衰减状态由衰减比h的大小决定，分为3种状态。

另外衰减比h 是衰减系数 D比上临界衰减系数Dc，即D/Dc 得出。

图2 衰减自由振动h＜1 时，后续振幅比如下式所示。

由此我们可以得知，包络线会随时间以指数函数减少。

此时将fd 作为共振频率的话，可用以下公式表示。

fd 就称作衰减固有共振频率。

h≥1 时，则fd=0。

变为失去振动性的无周期运动。

从振动测量精度上来看，自由衰减振动需要尽可能快得使其衰减，但衰减比h并不是越大越好。

这一点可从图上记公式中得知。

衰减比h 的大小也受到谐振锐度即Qm 值的影响。

h 越小Qm 就越大，形成尖锐的共振。

其关系由下记公式来表示。

在设计压电型加速度传感器时，会尽可能使h 值小，Qm 值大，形成尖锐共振后，扩大平坦的频率范围。

2、 电荷增幅中的低频截止频率上述已经提到，电荷放大器中传感器产生的电荷全部储存在反馈电容 Cf 中。

因此低频特性与输入电路中的时间常数（电缆电容 Cc 、传感器电容 Cd 等）没有关系， 而是由反馈电路的时间常数 Cf ・Rf 决定。

即低频截止频率 fc 为：由于一般情况下Rf 会选定10MΩ 以上的高阻抗值，比 Cf 的电感器大很多，因此实际上 fc 的值主要由 Cf 的值来决定。

Cf 值越大 fc 就越小，适合低频的振动测量。

传感器题库及答案压电式传感器一、选择填空题：1、压电式加速度传感器是传感器。

A、结构型B、适于测量直流信号C、适于测量缓变信号D、适于测量动态信号2、沿石英晶体的光轴z的方向施加作用力时，。

A、晶体不产生压电效应B、在晶体的电轴x方向产生电荷C、在晶体的机械轴y 方向产生电荷D、在晶体的光轴z方向产生电荷3、在电介质极化方向施加电场，电介质产生变形的现象称为。

A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应4、天然石英晶体与压电陶瓷比，石英晶体压电常数，压电陶瓷的稳定性。

A、高，差B、高，好C、低，差D、低，好5、沿石英晶体的电轴x的方向施加作用力产生电荷的压电效应称为。

A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应 6、压电式传感器可等效为一个电荷源和一个电容并联，也可等效为一个与电容相串联的电压源。

7、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有电压放大器和电荷放大器两种形式。

二、简答题1、什么是压电效应？纵向压电效应与横向压电效应有什么区别？答：某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；所以纵向压电效应与横向压电效应的主要区别在于施力方向不同，电荷产生方向也不同。

2、压电式传感器为何不能测量静态信号？答：因为压电传感元件是力敏感元件，压电式传感器是利用所测的物体的运动产生的相应的电信号，而静态的不能产生相应的电信号。

所以压电式传感器不能测量静态信号。

13、压电式传感器连接前置放大器的作用是什么？答：前置放大器的作用：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。

压电式加速度传感器检定规程如下：
外观检查：检查传感器的外观是否完好，无破损、裂纹等缺陷。

灵敏度检定：通过施加一定的加速度，测量传感器的输出电压，计算其灵敏度，判断是否符合要求。

频率响应检定：在不同频率下施加加速度，测量传感器的输出电压，绘制频率响应曲线，判断其是否符合要求。

横向灵敏度检定：在传感器敏感轴以外的方向上施加加速度，测量传感器的输出电压，判断其横向灵敏度是否符合要求。

温度影响检定：在不同温度下施加加速度，测量传感器的输出电压，判断其温度影响是否符合要求。

以上是压电式加速度传感器的基本检定规程，具体检定步骤和方法可能因不同的传感器型号和应用场景而有所不同。

加速度传感器一、定义加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。

通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。

传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

二、分类1、压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，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。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

2、压阻式基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

3、电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。

电容式加速度传感器/电容式加速度计是比较通用的加速度传感器在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。

电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。

4、伺服式伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。

其工作原理：传感器的振动系统由“m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。

由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。

PS：微机电系统微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。