一体化压电式加速度传感器

定义与结构

一体化压电式加速度传感器是把压电元件与前置放大/阻抗变换电路封装在同一壳体内的压电式加速度传感器。其压电元件由两片并联连接的石英晶片构成，壳体内还装有惯性质量、引线、绝缘垫圈、绝缘螺栓，侧面装有超小型阻抗变换器和电缆插座。

两片并联石英晶片的作用

压电晶片受惯性力作用产生电荷，电荷量 $Q$ 与所受动态力 $F$ 成正比：

其中 $d_{ij}$ 为压电常数（单位 C/N），$F$ 为沿敏感轴方向的动态力（单位 N）。

两片石英晶片并联时，在相同受力条件下，输出电荷加倍、输出电容也加倍，因此开路电压 $U=Q\mathrm{/}C$ 与单片时相同；但在接入相同外部负载电容的条件下，并联后总电荷为 $2Q$、总电容为 $2C_a$，放大器输入端电压 $U_i=2Q\mathrm{/}(2C_a+C_{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{a}\mathrm{d}})$ 可比单片时的 $Q\mathrm{/}(C_a+C_{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{a}\mathrm{d}})$ 更大，故并联结构使放大器输入端可获得较大的电压信号，用于弥补石英晶体灵敏度低的缺陷。

引线电容对灵敏度的影响

压电元件可视为电荷源 $Q$ 与自身电容 $C_a$ 并联，电缆电容 $C_c$、放大器输入电容 $C_i$ 与输入电阻 $R_i$ 共同构成负载。在电压放大器方案中，当忽略泄漏（等效绝缘电阻趋于无穷大）且工作频率远高于电气截止频率、同时远低于机械共振频率和放大器有效放大带宽时，输入电压可近似为：

其中 $C_a$ 为传感器电容，$C_c$ 为电缆电容，$C_i$ 为放大器输入电容，单位均为 F。该式是上述近似条件下的低频段理想结果；对于一般动态信号和有限输入电阻 $R_i$ 的情况，输入电压还随频率变化，需用含 $R_i$ 的频率响应表达式描述。在满足近似条件的频段内，$C_c$ 越大，$U_i$ 越小，传感器灵敏度随之下降；电缆长度、形状变化还会使 $C_c$ 变化，导致灵敏度不稳定。

一体化如何消除电缆影响

把超小型阻抗变换器装入传感器内部后，压电元件到放大器的引线非常短，引线电容几乎为零，$C_c$ 不再成为决定灵敏度的主要因素，长电缆对传感器灵敏度的影响被避免。同时，阻抗变换器把压电元件的高输出阻抗变换为低输出阻抗，使信号能够通过较长电缆传输而不显著损失。

适用范围

该结构适用于需要把压电式加速度传感器与测量电路一体化、并希望减小电缆电容影响的动态加速度测量场合。其核心条件是压电元件与阻抗变换器之间的引线足够短，使引线电容可忽略；若引线仍较长，则电缆电容的影响不能忽略。