压缩式压电加速度传感器简介

　　S-弹簧；W-垫片；B-基座

　　3.1 正反向灵敏度的差异

　　这主要由各部件间的接触刚度的不同和变化引起的。实际上，压缩式压电传感器的作用原理如图4所示 。其刚性元件与弹性元件均不处于理想状态，它们相互之间存在一种接触刚度。由于各个部件加工的光洁度不同，紧固螺纹不同以及压电晶体片表面金属膜的厚度、均匀度、光洁度不同，由于装配过程安装部件的相对位置不同及安装力矩的差异，所以各部件间的接触刚度不同。这种接触刚度直接影响压电传感器系统的有效刚度。因而使各个压缩式传感器的灵敏度幅值线性度不一样。

　　接触刚度比预紧弹簧的刚度大得多，当外加加速度很小时，它的作用不明显，致使传感器的正反向灵敏度的幅值线性度基本相同；当外加加速度很大时，接触刚度开始起作用，又因为接触刚度是非线性变化的物理量，因而使传感器的线性变差，而且使其正反向灵敏度的幅值线性相差较大。可以推知，这种接触刚度也会影响传感器的长期稳定性。

　　3.2 “饱和现象”

　　这主要是预紧弹簧的预紧力不足造成的。弹簧经过调整后，若预紧弹簧对惯性质量块施加的预压力为f ，当传感器受到轴向动态加速度作用时，则压电晶体片受到的合成压力为：

　　式中：m为等效惯性质量（包括预紧弹簧、垫片及压电晶体片自身的质量）。当正向安装时，的符号为正。当反向安装时，的符号为负。所以，当传感器基座向上加速运动时，惯性质量块有向下运动的趋势，因而产生一个指向基座的惯性力，使压电晶体片上的压缩力增大；相反，当传感器基座向下加速运动时 ，惯性质量块有向上运动的趋势，产生背向基座的惯性力，则使压电晶体片上的压缩力减小。由式（5）可以看出 ，对于反向安装的情况，当 =f时，F≤0，压电晶体片的压缩力不存在，它只承受自身负载的作用，所以出现了“饱和现象”。

　　要想增大“饱和加速度”的数值，就得加大对预紧弹簧的预紧力。预紧弹簧对惯性质量块的静态预压力必须远远超过传感器基座在冲击振动过程产生的最大动态应力。可是，此预紧力不能无限增高。由式（5）可知，若增加预紧力，则在正向安装的情况，压电晶体片所承受的压缩力提高，相对地说，只有使动态应力值减小才能使传感器保持相同的强度，所以降低了“失效加速度”的数值，这个静态预紧力通过试验方法确定 。

　　鉴于上述分析可以看出，当被测加速度的动态范围很大时，压缩式压电传感器的幅值线性度变差；被测加速度超过1 000 m／s？2时，正向与反向加速度灵敏度存在一定的偏差。对于要求测量反向冲击加速度值的传感器，必须进行反向灵敏度幅值线性度的检定，以减小测量误差。检定规程对压电加速度的幅值线性度规定比较严格，对于压缩式传感器而言，实质上是指正向灵敏度，若想兼顾反向灵敏度就会超差，为此应对其反向灵敏度的幅值线性做专门的补充规定。

　　参考文献

　　［1］黄继昌，徐巧鱼，张海贵，传感器工作原理及应用实例［M］北京：人民邮电出版社1998.

　　［2］ 雷玉堂，王庆友，光电检测技术［M］北京：中国计量出版社1997

　　［3］栾桂冬，张全铎，王仁乾。压电换能器和换能器阵［M］北京：北京大学出版社，1990.

　　［4］王矜奉，姜祖桐，石瑞大。压电振动［M］。北京： 科学出版社，1989.88-136.

　　［5］孙宝元，张贻恭？压电石英传感器及动态切削测力仪［M］北京：计量出版社，1985.

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　　［7］张国忠，赵家贵，检测技术［M］北京：中国计量出版社1998