【摘要】簡述了壓電加速度傳(chuan) 感器的結構原理。說明了該傳(chuan) 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(yu) “飽和現象”，以便在生產(chan) 、鑒定與(yu) 使用時加以注意。?

1 傳(chuan) 感器的結構及工作原理?
    壓電式加速度傳(chuan) 感器又稱壓電加速度計。它也屬於(yu) 慣性式傳(chuan) 感器。它是利用某些物質如石英晶體(ti) 的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低於(yu) 加速度計的固有頻率時，則力的變化與(yu) 被測加速度成正比。        
    常用的壓電式加速度計的結構形式如圖1。S是彈簧，M是質塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環。圖1（a）是中央安裝壓縮型，壓電元件—質量塊—彈簧係統裝在圓形中心支柱上，支柱與(yu) 基座連接。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與(yu) 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，測試對象和環境溫度變化將影響壓電元件，並使預緊力發生變化， 易引起溫度漂移。圖1（b）為(wei) 環形剪切型結構簡單，能做成極小型、高共振頻率和加速度計，環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由於(yu) 粘結劑會(hui) 隨溫度增高而變軟，因此最高溫度受到限製。圖1（c）為(wei) 三角剪切形，壓電元件由夾持環將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應力。這種結構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構形式圖

就其結構特點而言，壓縮式壓電傳(chuan) 感器(加速度計)第三種結構形式與(yu) 前兩(liang) 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，對於(yu) 同一加速度輸入，其響應極性正好相反，即軸向靈敏度的方向相反。前兩(liang) 種型式的傳(chuan) 感器結構如圖2。??
                       
圖2   壓縮式電傳(chuan) 感器結構圖                
    它們(men) 由預緊彈簧、慣性質量、壓電晶體(ti) 片、墊片、連杆、鎖緊螺母、殼體(ti) 和基座等組成。當固定在被測物體(ti) 上的傳(chuan) 感器隨物體(ti) 運動時，其慣性質量塊產(chan) 生慣性作用力作用在壓電晶體(ti) 片上，壓電晶體(ti) 片產(chan) 生與(yu) 此作用力成比例的變形，由於(yu) 壓電晶體(ti) 片的壓電效應，便產(chan) 生與(yu) 壓電元件變形成比例的電荷，此信號由輸出端引出。在此傳(chuan) 感器中，壓電晶體(ti) 片既是敏感元件又是彈性元件。一般把壓電晶體(ti) 片看成無質量的彈簧。慣性質量塊為(wei) 絕對剛性。預緊彈簧與(yu) 墊片的質量均忽略不計。所以該傳(chuan) 感器可簡化成單自由度係統，見圖3，其固有頻率為(wei) ：?
                    
    式中： K為(wei) 圓板形壓電晶體(ti) 片的剛度；ms為(wei) 慣性質量塊的質量；E為(wei) 壓電晶體(ti) 片的楊氏模量；D為(wei) 壓電晶體(ti) 片的直徑；t為(wei) 各晶體(ti) 片的厚度；mb為(wei) 傳(chuan) 感器基座和殼體(ti) 的質量。??
                    
圖3  壓縮式電傳(chuan) 感器原理圖
m-慣性質量；s-彈簧；b-基座
                                            
    所謂壓電傳(chuan) 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(yu) 軸向指定的機械輸入量的比值，即：
??                  
    檢查靈敏度幅值線性度時，傳(chuan) 感器靈敏度的方向性可根據外加軸向機械運動的方向而定；若外加運動使慣性塊慣性力方向指向傳(chuan) 感器的基座時，輸出靈敏度方向為(wei) 正向，若外加運動使慣性質量塊的慣性力方向背向傳(chuan) 感器基座時，輸出靈敏度為(wei) 負向。例如將壓電傳(chuan) 感器固定在跌落衝(chong) 擊台的上安裝台麵時，在衝(chong) 擊時產(chan) 生的靈敏度為(wei) 正向，若將壓電傳(chuan) 感器固定在其下安裝台麵時，衝(chong) 擊時產(chan) 生的靈敏度為(wei) 負向。而對於(yu) 倒置中心安裝式傳(chuan) 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定的加速度範圍內(nei) 檢查傳(chuan) 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衝(chong) 擊法進行檢查。衝(chong) 擊法比諧振梁法可達到的最大加速度值高得多，現介紹衝(chong) 擊法試驗的情況。?
    把被檢定的壓電傳(chuan) 感器先後固定在G-1000型衝(chong) 擊裝置的衝(chong) 錘台麵上或下麵，當檢查正向靈敏度時，將傳(chuan) 感器正向固定在衝(chong) 錘之上；當檢查負向靈敏度時，則將它反向固定在衝(chong) 錘之下。壓電傳(chuan) 感器的輸出信號均經同一台B8K2626型電荷放大器放大歸一化，然後由同一台2606型測量放大器再放大並指出峰值，因而排除了二次測量儀(yi) 表的不同而產(chan) 生的影響。該衝(chong) 擊裝置在某一高度多次跌落衝(chong) 錘時產(chan) 生的加速度重複性較好；由於(yu) 壓電式加速度計的質量差異不大，在安裝一隻加速度計的情況，對於(yu) 同一跌落高度，不同傳(chuan) 感器對衝(chong) 錘加速度的影響可忽略不計。通過測試發現，在同一跌落高度，當改變被測傳(chuan) 感器時，衝(chong) 擊加速度的增長(或持續)時間也不變。因此隻采用改變衝(chong) 錘跌落高度的方法控製衝(chong) 擊加速度幅值。?
    加速度幅值線性度可根據最小二乘法計算，其值為(wei) ：
 ??           ?
式中：So為(wei) 截距；S為(wei) 在加速度為(wei) a時的靈敏度。?
    對於(yu) 幾種加速度計的測試結果示於(yu) 表1。可以發現，對不同的壓縮式傳(chuan) 感器，其靈敏度幅值線性度各不相同。當輸入加速度值較小時，加速度計的幅值線性度、重複性和穩定性都較好；當輸入加速度值較高時( 大於(yu) 1 000 m／s2)，這些性能變差。對於(yu) 同一隻傳(chuan) 感器，其正向與(yu) 反向靈敏度有差異，發現有兩(liang) 方麵的問題 ： (1)當輸入加速度幅值不太高時，傳(chuan) 感器的正向靈敏度可以大於(yu) 也可能小於(yu) 其反向靈敏度，隨不同的傳(chuan) 感器而異；(2)當輸入加速度幅值較大時，傳(chuan) 感器的正向與(yu) 反向靈敏度的差值隨之增加。當加速度幅值增加到某個(ge) 量值時，其反向靈敏度出現“飽和現象”，即再繼續增加輸入加速度幅值時，傳(chuan) 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(wei) “飽和加速度(as)”。不同的傳(chuan) 感器as值也不同。實驗發現，我國生產(chan) 的壓縮式傳(chuan) 感器的as普遍較低，所以其反向加速度的測量範圍也較小。相反，當輸入加速度幅值增大到一定程度時，傳(chuan) 感器的正向靈敏度不正常，甚至會(hui) 導致傳(chuan) 感器損壞，這時的輸入加速度幅值稱為(wei) “失效加速度(a f)”。一般情況下，｜af｜＞｜as｜，從(cong) af到-as的區間稱為(wei) 傳(chuan) 感器的測量加速度範圍。??
 
表1  幾種加速度計的測量結果
 
3 壓縮式壓電傳(chuan) 感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題的分析?
    壓電傳(chuan) 感器是一種利用壓電效應進行機電能量轉換的變換器。因為(wei) 它具有若幹優(you) 點，所以被廣泛地應用於(yu) 機械結構的振動與(yu) 衝(chong) 擊參量的測量。壓電傳(chuan) 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(chuan) 感器的參數有數個(ge) ，其中主要是靈敏度。按照一般檢定規程規定，要求采用衝(chong) 擊法和諧振梁法檢查傳(chuan) 感器靈敏度的幅值線性度；但各種標準規定不夠確切，隻是泛指幅值線性度。實質上是指檢查正向靈敏度的幅值線性度。但是對於(yu) 有正負極性的二次指示儀(yi) 表，測量高g(1g＝10 m／s2)值振動以及需要反向安裝傳(chuan) 感器的衝(chong) 擊情況(即測量負脈衝(chong) 衝(chong) 擊加速度)，若僅(jin) 僅(jin) 檢查傳(chuan) 感器的正向靈敏度幅值線性度是不夠的，還應檢查其“反向靈敏度線性度”，以便使傳(chuan) 感器得出正確的測試數據。在我國，壓縮式壓電傳(chuan) 感器的使用和生產(chan) 量較大，為(wei) 此，談談壓縮式壓電傳(chuan) 感器的正反向靈敏度的幅值線性度問題。
    壓縮式壓電傳(chuan) 感器的靈敏度與(yu) 其對輸入加速度的響應情況有關(guan) 。實際上，傳(chuan) 感器是多自由度係統，可等效為(wei) 圖4所示的係統。影響係統響應的因素很多，如預緊彈簧、慣性質量、壓電晶體(ti) 片、墊片、連杆、基座 、鎖緊螺母等的幾何尺寸、結構形式、材料性質有關(guan) 。對於(yu) 給定的傳(chuan) 感器，這些因素就固定了。則某個(ge) 傳(chuan) 感器正反向靈敏度的差異及反向靈敏度的“飽和現象”主要與(yu) 傳(chuan) 感器零件的加工情況、工藝水平及組裝方法有關(guan) 。
                   
圖4   壓電傳(chuan) 感器的等效示意圖
m-慣性質量；P-壓電晶體(ti) 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。實際上，壓縮式壓電傳(chuan) 感器的作用原理如圖4所示 。其剛性元件與(yu) 彈性元件均不處於(yu) 理想狀態，它們(men) 相互之間存在一種接觸剛度。由於(yu) 各個(ge) 部件加工的光潔度不同，緊固螺紋不同以及壓電晶體(ti) 片表麵金屬膜的厚度、均勻度、光潔度不同，由於(yu) 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(chuan) 感器係統的有效剛度。因而使各個(ge) 壓縮式傳(chuan) 感器的靈敏度幅值線性度不一樣。??
    接觸剛度比預緊彈簧的剛度大得多，當外加加速度很小時，它的作用不明顯，致使傳(chuan) 感器的正反向靈敏度的幅值線性度基本相同；當外加加速度很大時，接觸剛度開始起作用，又因為(wei) 接觸剛度是非線性變化的物理量，因而使傳(chuan) 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(hui) 影響傳(chuan) 感器的長期穩定性。?

3.2 “飽和現象”?
    這主要是預緊彈簧的預緊力不足造成的。彈簧經過調整後，若預緊彈簧對慣性質量塊施加的預壓力為(wei) f ，當傳(chuan) 感器受到軸向動態加速度作用時，則壓電晶體(ti) 片受到的合成壓力為(wei) ：
 ??             
式中：m為(wei) 等效慣性質量(包括預緊彈簧、墊片及壓電晶體(ti) 片自身的質量)。當正向安裝時，的符號為(wei) 正。當反向安裝時，的符號為(wei) 負。所以，當傳(chuan) 感器基座向上加速運動時，慣性質量塊有向下運動的趨勢，因而產(chan) 生一個(ge) 指向基座的慣性力，使壓電晶體(ti) 片上的壓縮力增大；相反，當傳(chuan) 感器基座向下加速運動時 ，慣性質量塊有向上運動的趨勢，產(chan) 生背向基座的慣性力，則使壓電晶體(ti) 片上的壓縮力減小。由式(5)可以看出 ，對於(yu) 反向安裝的情況，當 =f時，F≤0，壓電晶體(ti) 片的壓縮力不存在，它隻承受自身負載的作用，所以出現了“飽和現象”。?
    要想增大“飽和加速度”的數值，就得加大對預緊彈簧的預緊力。預緊彈簧對慣性質量塊的靜態預壓力必須遠遠超過傳(chuan) 感器基座在衝(chong) 擊振動過程產(chan) 生的最大動態應力。可是，此預緊力不能無限增高。由式(5)可知，若增加預緊力，則在正向安裝的情況，壓電晶體(ti) 片所承受的壓縮力提高，相對地說，隻有使動態應力值減小才能使傳(chuan) 感器保持相同的強度，所以降低了“失效加速度”的數值，這個(ge) 靜態預緊力通過試驗方法確定 。?
    鑒於(yu) 上述分析可以看出，當被測加速度的動態範圍很大時，壓縮式壓電傳(chuan) 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(yu) 反向加速度靈敏度存在一定的偏差。對於(yu) 要求測量反向衝(chong) 擊加速度值的傳(chuan) 感器，必須進行反向靈敏度幅值線性度的檢定，以減小測量誤差。檢定規程對壓電加速度的幅值線性度規定比較嚴(yan) 格，對於(yu) 壓縮式傳(chuan) 感器而言，實質上是指正向靈敏度，若想兼顧反向靈敏度就會(hui) 超差，為(wei) 此應對其反向靈敏度的幅值線性做專(zhuan) 門的補充規定。?　

                               參考文獻
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