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，憑借其獨特的壓電效應在振動測量領域發(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，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)。這種奇妙的現(xiàn)象為傳感器的工作提供了基礎。

在實際應用中，當加速度計受振時，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于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。這使得壓電式加速度傳感器能夠準確地測量物體的加速度。

由于其工作原理的特殊性，壓電式加速度傳感器在眾多領域都有廣泛的應用。例如在機械振動監(jiān)測方面，可周期性地監(jiān)測馬達、泵、壓縮機、渦輪機、電風扇等設備的軸承磨損情況、不平衡及裝置斷裂等強度的增加，無需停下設備進行檢測，大大節(jié)約了時間和成本。在地震監(jiān)測領域，可測量大型建筑物的地面、小型建筑、橋梁振動和檢測因地震、施工、礦場作業(yè)、大型傳送帶運輸車所引起的機構變化。在環(huán)境應力檢測方面，能檢測因溫度循環(huán)變化中所引起的產(chǎn)品變化或者部件遭受振動的強度，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特的工作原理和廣泛的應用場景，在現(xiàn)代科技中占據(jù)著重要的地位。

二、工作原理詳解

（一）壓電效應基礎

壓電效應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，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。這意味著晶體內(nèi)部的正負電荷中心發(fā)生分離，同時在晶體的兩個相對表面上出現(xiàn)符號相反的電荷。當外力去除后，晶體又會恢復到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象被稱為正壓電效應。相反，當在電介質的極化方向上施加電場時，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，此為逆壓電效應。

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

（二）傳感器結構與原理結合

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質量塊，然后用硬彈簧對質量塊預加載荷，再將整個組件裝在一個基座的金屬殼體內(nèi)。當傳感器感受振動時，由于彈簧的剛度相當大，質量塊的質量相對較小，可認為質量塊的慣性很小，其感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質量塊就有一個正比于加速度的作用力作用在壓電片上。通過壓電片的壓電效應，在壓電片的表面上就會產(chǎn)生隨振動加速度變化的電壓。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，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體充電到一定電壓。要測定這樣微弱的電荷（或電壓），關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。因此，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準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，其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。不過，在電荷放大器中通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。