压电式加速度传感器的工作原理详解

一、压电式加速度传感器概述

压电式加速度传感器作为惯性式传感器的一种，凭借其独特的压电效应在振动测量领域发挥着重要作用。

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体，如石英、压电陶瓷等，在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态。这种奇妙的现象为传感器的工作提供了基础。

在实际应用中，当加速度计受振时，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。这使得压电式加速度传感器能够准确地测量物体的加速度。

由于其工作原理的特殊性，压电式加速度传感器在众多领域都有广泛的应用。例如在机械振动监测方面，可周期性地监测马达、泵、压缩机、涡轮机、电风扇等设备的轴承磨损情况、不平衡及装置断裂等强度的增加，无需停下设备进行检测，大大节约了时间和成本。在地震监测领域，可测量大型建筑物的地面、小型建筑、桥梁振动和检测因地震、施工、矿场作业、大型传送带运输车所引起的机构变化。在环境应力检测方面，能检测因温度循环变化中所引起的产品变化或者部件遭受振动的强度，从而发现物体潜在的缺陷。

总之，压电式加速度传感器以其独特的工作原理和广泛的应用场景，在现代科技中占据着重要的地位。

二、工作原理详解

（一）压电效应基础

压电效应是压电式加速度传感器的核心工作原理。某些晶体，如石英晶体、压电陶瓷等，在一定方向上受到外力作用而发生变形时，其内部会产生极化现象。这意味着晶体内部的正负电荷中心发生分离，同时在晶体的两个相对表面上出现符号相反的电荷。当外力去除后，晶体又会恢复到不带电的状态。这种现象被称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，此为逆压电效应。

例如，石英晶体就具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。当石英晶体受到特定方向的外力作用时，其内部产生的电荷量与外力的大小成正比。

（二）传感器结构与原理结合

压电式加速度传感器一般由壳体及装在壳体内的弹簧、质量块、压电元件和固定安装的基座组成。在压电片上放置一个质量块，然后用硬弹簧对质量块预加载荷，再将整个组件装在一个基座的金属壳体内。当传感器感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，质量块的质量相对较小，可认为质量块的惯性很小，其感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一个正比于加速度的作用力作用在压电片上。通过压电片的压电效应，在压电片的表面上就会产生随振动加速度变化的电压。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出的电压与作用力成正比，即与传感器感受到的加速度成正比。

（三）前置放大器作用

压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这微弱的电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到一定电压。要测定这样微弱的电荷（或电压），关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。因此，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。

压电式传感器的前置放大器有电压放大器和电荷放大器。电压放大器是高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。不过，在电荷放大器中通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。