摘要：介紹了壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理。通過對傳統(tǒng)的壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)的深入分析和 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其有一定的局限性，為此對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的嘗試，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，表明其在性能上有一定的提高。同時(shí)對其 新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢進(jìn)行了技術(shù)性的演講與預(yù)測。

　　關(guān)鍵詞：加速度傳感器；石英晶片；ADP

　　1　引言

　　壓電式傳感器的工作原理是基于壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器。某些介質(zhì)材料在外力的作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。

　　在傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器中，幾乎都用石英，僅有少數(shù) 傳感器可能用Rochelle鹽�，F(xiàn)在這些儀器中增加了具有鐵電材料的極化陶瓷的傳感器，這些材料有鈦酸鋇和其衍生物，在少數(shù)情況下用ADP.各種石英型傳感器通常都是大而重，因而 對頻率上限的限制很大。它們常和直流放大器一道使用，其第一級是絕緣電阻盡可能高的輸入電路。Rochelle鹽型傳感器盡 管靈敏度高，但是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)實(shí)際運(yùn)用的情況下其溫度和濕 度極限太低，因而其應(yīng)用范圍受到了限制。

　　2　傳統(tǒng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

　　圖1顯示了傳統(tǒng)的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，它具有兩塊X切 向石英晶體，若對晶體施加壓力則在中心電極上產(chǎn)生的電荷是 疊加的。由環(huán)狀彈簧施加的機(jī)械預(yù)載必須比預(yù)期沿向上方向所施最大加速度力要大。晶體的兩外表面與殼罩相連因而處 于低電位，此傳感器具有0.62 pC/g的輸出，并在15 kHz左右 發(fā)生最低頻率諧振。兩晶體的電容僅有幾個(gè)pF，從而與任一 長度的電纜電容相比均可忽略不計(jì)。傳感器重約250~300 g， 可用螺栓固定。加上電纜，若總電容是500 pF，則開路輸出電壓是

　這種傳感器適合于測量中等的和高值的加速度，除非采用極短的電纜。
　　

　　圖1用環(huán)狀彈簧加載具有兩石 英晶片的加速度傳感器

　　
　　3　對傳統(tǒng)速度傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及設(shè)計(jì)

　　圖2表示了基于同樣原理制作的傳感器，但其靈敏度更高，其慣性質(zhì)量增大，晶堆由10個(gè)晶片并聯(lián)組成，可產(chǎn)生約80 pC/g的電荷輸出。最低諧振頻率是1 500Hz.此外，若設(shè)總電容 為500 pF，則電壓輸出是160 mV/g，因此像地球引力的幾分之 一那樣小加速度都可以容易地被測量出來，只是頻率要達(dá)到300 Hz才行。在制作石英晶堆特別是用的晶體圓片數(shù)量很多 時(shí)，必須精心保證各晶片表面的平行。橫向靈敏度必須用精確 的、強(qiáng)度足夠的定向彈簧來控制。在取向時(shí)，如果用單個(gè)圓晶 片，應(yīng)該注意的是晶片上y軸的方向，要設(shè)法按這樣的方式安 置它們，即在晶片上由于慣性力引起的橫向靈敏度可以被抵 消。盡管這種加速度傳感器尺寸和重量較大，但在民用工程和 地質(zhì)的地面震動測量等方面應(yīng)用仍較廣泛。

　　圖2具有10個(gè)石英晶片的高靈敏度加速度傳感器

　　圖3是一個(gè)理論上具有橫向誤差補(bǔ)償?shù)?a title="" target="_blank">加速度傳感器，其中兩個(gè)獨(dú)立的慣性系統(tǒng)這樣安置在讓縱向加速度力(沿傳感器 軸向)引起疊加的輸出，而如果晶體的y軸指向同一方向，由 橫向力引起的輸出則互相抵消。由空氣傳來的聲壓輸出也是 由于這種安排而得到補(bǔ)償。但是，這兩個(gè)獨(dú)立的振動系統(tǒng)的諧 振頻率之間有拍頻的危險(xiǎn)，而且由于兩個(gè)系統(tǒng)相似，所以拍頻 頻率很低且必然落在傳感器有用的頻段之內(nèi)。

　　圖3孿生型加速度傳感器示意圖

　　圖4是用磷酸二氫鉸晶體(ADP)制作的加速度傳感器的示意圖。長度伸縮式ADP晶堆安裝在金屬殼體內(nèi)，晶堆自由 端的膜片限制了任何橫向振動。結(jié)果是橫向靈敏度是縱向靈 敏度(5.4pC/g)的7%(最大值）。其電容(具有0.5m長的電纜)是168 pF，則其電壓輸出是32 mV/g室溫下絕緣電阻是70 M3，在最高工作溫度即70 t時(shí)就降到1 MQ.由于電荷靈敏度 和電容大致以相同的速率下降，所以輸出電壓在-40~70℃的溫度范圍內(nèi)是相當(dāng)穩(wěn)定的。這種傳感器重25 g左右。除了 有限的溫度范圍和較低的絕緣電阻，這種傳感器還具有尺寸小、固有頻率高(約50 kHz)、加速度范圍寬（±500 g)的優(yōu)點(diǎn)。 ADP沒有顯著的熱釋電效應(yīng)。

　　圖4具有ADP晶堆的加速度傳感器示意圖

　　極化鐵電陶瓷的出現(xiàn)推動了壓電式加速度傳感器的設(shè)計(jì) 和應(yīng)用。這種材料的高介電常數(shù)和靈敏度促使傳感器做得比 用石英制的更小，而這種陶瓷材料的高機(jī)械剛度和強(qiáng)度可以提 供比Rochelle鹽有更高的固有頻率和更寬的加速度范圍。

　　寬頻段微型加速度傳感器，是把鈦酸鋇圓晶片放在傳感器 底座和慣性質(zhì)量之間，并用夾緊的方法安裝起來，如圖5(a)。 近代，F(xiàn)arnborough皇家航空飛行器研究中心生產(chǎn)了一種焊接結(jié) 構(gòu)傳感器，并用包鋅的環(huán)氧樹脂外罩來防潮和靜電屏蔽如圖5 (b)和圖5(c)。但是對這種外罩能顯著地增加阻尼的希望未 能奏效。若采用圖5(d)所示的管狀元件和圖5(f)所示的倒置 型，則可避免底部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變直接傳遞到敏感元件上去。

　　圖5鐵電陶瓷片的微型加速度傳感器

　　鐵電雙壓電晶片的加速度傳感器常常是彎曲型的，如圖5 (d)所示，它采用一個(gè)懸臂元件。加速度通常是施于雙壓電晶 片的平面上，而且除了雙壓電晶片的自重外一般沒有慣性質(zhì) 量。把這種設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，把晶片固定到一個(gè)薄金屬圓盤上， 中心用螺栓支承，該結(jié)構(gòu)已被成功地使用了。在加速度作用下 晶片撓曲像一把張開的傘如圖5(h)。

　　4　結(jié)束語

　　實(shí)驗(yàn)證明，用磷酸二氫鉸晶體(ADP)制作的加速度傳感器 具有尺寸小、固有頻率高(約50 kHz)、加速度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而極化鐵電陶瓷則由于這種材料的高介電常數(shù)和靈敏度可使傳感 器做得比用石英制的更小，同時(shí)有更高的固有頻率和更寬的加 速度范圍。為了避免底部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變直接傳遞到敏感元件上 去，可采用圖5(d)所示的管狀元件及圖5 (f)所示的倒置型。（作者：葉偉國，沈國偉）

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