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压电加速度传感器的原理

发布日期:2019-08-15 11:28    浏览次数:

      应用压电效应的压电型加速度传感器,要根据用途选择不同的压电效果。

   从结构上看,各自特点如下:

   (a)   压缩型(纵向效果)具有高机械强度,适用于冲击测试等各种测量要求。

   (b)   剪切型(厚度切变效果)不易受到由于温度变化产生的热电气的影响。

   (c)   挠曲型(横向效果)具有低频高敏度的特点。

 

   三者结构如下图(a)(b)(c)所示,区别在于压电体受到的应力方向不同,其基本原理则大致相同。

   ※热电气的说明:压电体的结晶在无电流无应力状态下发生极化,此现象称为自发极化,通常用 Ps 表示。具有 Ps 特性的结晶,其热振动状态会随温度变化,其大小会随热膨胀发生变化。因此 Ps 是温度函数,结晶的温度变化量会成为 Ps 的变化量,并在结晶表面产生相应的电位差(正效应),反之施加电流产生相应的温度变化(逆效应)。此现象我们称之为热电气。

   现在仅对加速度传感器运动方向为上下的情况进行说明,如上图(a)(b)中,k 代表压电体的弹性常数,D 代表空气阻抗等各种衰减。如图(a)中在基座上施加位移 x0向上的加速度 a0,弹性常数 k 如图(b)所示,被压缩位移 y

   此时,施加到质量块 m 上的力 F 可用以下公式表示。

   接下来,我们利用牛顿第二定律[ F=质量 m×加速度 a],可以推导出以下公式。
     

   因此,比弹性质量系(质量块、压电体、基座)的固有共振频率低时,从上述公式可以得出,加速度传感器的加速度 a0 和压电体受到的惯性力 F=ma 成比例关系,另外与频率不相关。  

   而且如果是压缩型的话,惯性力 F 给压电体施加了纵向的应力,此时产生的电荷可以由公式推导得出来。

       

  此时,d33m 是一定的,因此加速度 a0 Q 成一定比例关系。下面根据压电体的静态电容C 将电荷 Q 转换成电压 V。 根据Q=CV可将公式表示为:

           
  此时,静态电容 C 为一定的话,a0 V 也成一定比例关系。
 

   如上所示,压电型加速度传感器,基座受到的加速度最终会以电压形式输出。电荷及电压输出都与加速度成一定比例关系,因此通过测量电荷和电压即可得出加速度。一般电荷输出称为电荷灵敏度,电压输出称为电压灵敏度。