压电式加速度传感器

结构组成

压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成，整个部件用螺栓固定。压电元件一般由两片压电片组成，在压电片的两个表面镀银并焊接输出引线，或在两片之间夹一金属片焊接引线，另一根引线直接与基座相连。质量块放置在压电片上，用硬弹簧或螺栓、螺母预加载荷。为隔离试件应变传递到压电元件，避免假信号，基座通常加厚或选用刚度较大的材料。

工作原理

测量时，传感器基座与试件刚性固定。当传感器随试件振动时，质量块受到与加速度方向相反的惯性力作用，该力正比于加速度：

式中，$f$ 为惯性力（单位：N），$m$ 为质量块质量（单位：kg），$a$ 为加速度（单位：m/s²）。

由于压电片的压电效应，其表面产生交变电荷 $Q$，输出电荷与作用力成正比：

式中，$Q$ 为电荷量（单位：C），$d_{eff}$ 为所用压电元件在给定受力方向与取电方向下的等效压电系数（单位：C/N）。当压电元件为石英且采用纵向晶轴配置（力沿电轴、电荷取自此方向）时，$d_{eff}$ 即石英的纵向压电系数 $d_{11}$；若为极化陶瓷或其他切型，则 $d_{eff}$ 应取对应受力与取电方向的压电系数，不能通用 $d_{11}$。因此，输出电荷与试件加速度成正比。

频率条件

上述正比关系仅在振动频率远低于传感器机械固有频率时成立。传感器不能测量零频率信号（即静态加速度），因为电荷会通过绝缘电阻泄漏。

典型电路特点

为克服电缆电容对灵敏度的影响，常将超小型阻抗变换器（如静电放大器）内置，压电元件采用两片并联石英晶片，引线极短，引线电容几乎为零，同时放大器输入端可获得较大电压信号，弥补石英晶体灵敏度低的缺陷。

应用

压电式加速度传感器用于动态加速度测量，如振动、冲击等。若需测量速度或位移，可在放大器后加入积分电路。