一、壓電式加速度傳感器概述

壓電式加速度傳感器作為慣性式傳感器的一種，憑借其獨(dú)特的壓電效應(yīng)在振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體，如石英、壓電陶瓷等，在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種奇妙的現(xiàn)象為傳感器的工作提供了基礎(chǔ)。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。這使得壓電式加速度傳感器能夠準(zhǔn)確地測(cè)量物體的加速度。

由于其工作原理的特殊性，壓電式加速度傳感器在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，可周期性地監(jiān)測(cè)馬達(dá)、泵、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、電風(fēng)扇等設(shè)備的軸承磨損情況、不平衡及裝置斷裂等強(qiáng)度的增加，無(wú)需停下設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，大大節(jié)約了時(shí)間和成本。在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可測(cè)量大型建筑物的地面、小型建筑、橋梁振動(dòng)和檢測(cè)因地震、施工、礦場(chǎng)作業(yè)、大型傳送帶運(yùn)輸車(chē)所引起的機(jī)構(gòu)變化。在環(huán)境應(yīng)力檢測(cè)方面，能檢測(cè)因溫度循環(huán)變化中所引起的產(chǎn)品變化或者部件遭受振動(dòng)的強(qiáng)度，從而發(fā)現(xiàn)物體潛在的缺陷。

總之，壓電式加速度傳感器以其獨(dú)特的工作原理和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在現(xiàn)代科技中占據(jù)著重要的地位。

二、工作原理詳解

（一）壓電效應(yīng)基礎(chǔ)

壓電效應(yīng)是壓電式加速度傳感器的核心工作原理。某些晶體，如石英晶體、壓電陶瓷等，在一定方向上受到外力作用而發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。這意味著晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，同時(shí)在晶體的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力去除后，晶體又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，此為逆壓電效應(yīng)。

例如，石英晶體就具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體受到特定方向的外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。

（二）傳感器結(jié)構(gòu)與原理結(jié)合

壓電式加速度傳感器一般由殼體及裝在殼體內(nèi)的彈簧、質(zhì)量塊、壓電元件和固定安裝的基座組成。在壓電片上放置一個(gè)質(zhì)量塊，然后用硬彈簧對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷，再將整個(gè)組件裝在一個(gè)基座的金屬殼體內(nèi)。當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，其感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的作用力作用在壓電片上。通過(guò)壓電片的壓電效應(yīng)，在壓電片的表面上就會(huì)產(chǎn)生隨振動(dòng)加速度變化的電壓。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器輸出的電壓與作用力成正比，即與傳感器感受到的加速度成正比。

（三）前置放大器作用

壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這微弱的電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導(dǎo)體充電到一定電壓。要測(cè)定這樣微弱的電荷（或電壓），關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測(cè)量電路和加速度計(jì)本身的電荷泄漏。因此，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。

壓電式傳感器的前置放大器有電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器是高輸入阻抗的比例放大器，其電路比較簡(jiǎn)單，但輸出受連接電纜對(duì)地電容的影響，適用于一般振動(dòng)測(cè)量。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。不過(guò)，在電荷放大器中通常用高質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價(jià)格也比較貴。