壓電式特點

　　壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

　　壓電材料

　　壓電材料一般可以分為兩大類，即壓電晶體和壓電陶瓷。在壓電型加速度計的最常用的壓電晶體為石英，其特點為工作溫度范圍寬，性能穩(wěn)定，因此在實際應(yīng)用中經(jīng)常被用作標(biāo)準(zhǔn)傳感器的壓電材料。由于石英的壓電系數(shù)比其他壓電材料低得多，因此對通用型壓電加速度計而言更為常用的壓電材料為壓電陶瓷。壓電陶瓷中鋯鈦酸鉛(PZT)是目前壓電加速度計中最經(jīng)常使用的壓電材料。其特點為具有較高的壓電系數(shù)和居里點，各項機電參數(shù)隨溫度時間等外界條件的變化相對較小。必須指出的是，就同一品種的壓電陶瓷而言，雖然都有相同的基本特性，但由于制作工藝不同可以使兩個相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標(biāo)相差甚大。這種現(xiàn)象可以通過典型的國產(chǎn)傳感器和進口傳感器的比較得以反映，國內(nèi)振動測試業(yè)幾十年的經(jīng)驗對此深有體會。 ·傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)形式

　　壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質(zhì)量塊組成，當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生一個與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應(yīng)力也可以是剪應(yīng)力，壓電材料產(chǎn)生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據(jù)壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)一般有以下三種形式：

　　1)壓縮形式– 壓電材料受到壓縮或拉伸力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。其特點是制造簡單方便，能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點是不能有效地排除各種干擾對測量信號的影響。

　　2)剪切形式– 通過對壓電材料施加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產(chǎn)生的電荷信號受外界干擾的影響甚小，因此剪切結(jié)構(gòu)形式成為最為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實際制造過程中，確保剪切敏感芯體的加速度計持有較高和穩(wěn)定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中最為困難的一個環(huán)節(jié)。北智BW-Sensor 采用進口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。

　　3)彎曲變形梁形式- 壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號，也較容易實現(xiàn)控制阻尼;但因為其測量頻率范圍低，更由于此結(jié)構(gòu)不能排除因溫度變化而極容易產(chǎn)生的信號漂移，所以此結(jié)構(gòu)在壓電型加速度計的設(shè)計中很少被采用。

??????? 原理

　　1.電荷靈敏度

　　加速度計一般采用PZT壓電陶瓷材料，利用晶體材料在承受一定方向的應(yīng)力或形變時，其極化面會產(chǎn)生與應(yīng)力相應(yīng)的電荷，壓電元件表面產(chǎn)生的電荷正比于作用力，因此有

　　Q=dF

　　其中，Q為電荷量，d為壓電元件的壓電常數(shù)，F(xiàn)為作用力。

　　加速度計的電荷靈敏度則是加速度計輸出的電荷量與其輸入的加速度值之比。電荷量的單位取pC，加速度單位為m/s2-。(1g=9.8m/s2)

　　2.電壓靈敏度

　　如果要換算加速度計的電壓靈敏度，則可用下面公式得到

　　Sq

　　Sa = (v/ms-2)

　　Ca

　　Sq為電荷靈敏度，單位pC/ms-2;Ca為電容量，單位pF。Sa電壓靈敏度單位V。

　　3.頻率響應(yīng)

　　(1)諧振頻率，為加速度計安裝時的共振頻率，隨產(chǎn)品附有諧振頻率曲線(低頻傳感器不附圖)。

　　(2)頻率響應(yīng)一般采用諧振頻率的1/3—1/5。加速度計頻響在1/3諧振頻率時，頻響與參考靈敏度偏差≤1dB，(誤差<10%)。頻響在1/5諧振頻率時，頻響與參考靈敏度≤ 0.5dB(誤差<5%-)。

　　我公司傳感器頻響均以1/3諧振頻率計算。

　　4.最大橫向靈敏度比

　　加速度計受到垂直于安裝軸線的振動時，仍有信號輸出，即垂直于軸線的加速度靈敏度與軸線加速度之比稱橫向靈敏度。

　　5. 電荷輸出的壓電式加速度計配合電荷放大器，其系統(tǒng)的低頻響應(yīng)下限主要取決于放大器的頻響。

　　安裝技術(shù)及注意事項

　　(一)安裝方式

　　用加速度計進行測量，為使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和使用方便，可使用多種方法安裝，現(xiàn)介紹幾種供選用。

　　1.螺釘安裝

　　KD系列加速度計有M5、M3安裝孔及傳感器自帶螺栓等形式，以M5孔居多。加速度計隨產(chǎn)品附有安裝螺釘。使用螺釘安裝，它的使用頻率響應(yīng)可近似原標(biāo)定的頻率響應(yīng)，且稱剛性安裝。

　　螺釘安裝是在允許打孔的被測物上沿振源軸線方向打孔攻絲。

　　2.粘接安裝

　　在被測物體不允許鉆孔時，可使用各種粘接劑，如“502”、環(huán)氧樹脂膠、雙面粘膠帶、橡皮泥。應(yīng)注意，前二種方法的使用頻率接近剛性安裝方法，后兩種一般用于低頻現(xiàn)場，且會使被測頻率大大降低。粘接方法不適合沖擊測量。

　　3.磁座

　　磁座的優(yōu)點是不破壞被測物體，移動方便。但是應(yīng)考慮用磁座測試會使加速度計的使用頻率響應(yīng)有所下降(磁座在使用時要將短路片拆卸掉!)，可能低于三分之一。

　　使用時應(yīng)先在被測物上安裝磁座，再擰上傳感器，或者將二者輕輕吸附于被測物上。沖擊狀態(tài)會使傳感器產(chǎn)生電荷積累，影響測試精度。

　　4.云母片/四氟膜

　　云母片安裝有兩個作用，隔熱、絕緣。對高溫狀態(tài)試件，可用厚度<0.1毫米的云母片墊置，其加速度計頻率響應(yīng)會略有降低。對試件與加速度計間的絕緣，云母與四氟是最佳材料。

　　5.三向傳感器為螺絲穿過通孔安裝，側(cè)端螺紋供檢測或測試用

　　(二)注意事項

　　1.傳感器的底面經(jīng)研磨光潔度<3μm，用戶也應(yīng)對被測構(gòu)件的表面打磨，提高光潔度及平整度。測試構(gòu)件的安裝孔要配合螺栓確定深度，安裝力矩要合適，在傳感器與構(gòu)件結(jié)合面中，最好涂上一層硅脂，增加接觸，且對傳感器的高頻響應(yīng)也會有所改善

　　2.安裝工裝及保護

　　為適合特殊的現(xiàn)場，有時要自制一些加速度計安裝塊。

　　傳感器如需浮置，可采取絕緣材料的安裝轉(zhuǎn)接塊，使其與被測物絕緣，或選用絕緣型產(chǎn)品。在潮濕處使用，需對接線插頭部位采取密封措施，以保證加速度計的絕緣良好，建議采用703硅膠涂抹。在水中使用要選用防水型產(chǎn)品。

　　工業(yè)現(xiàn)場在線安裝可采用保護罩防護的安裝形式。

　　3.振動測量可不必考慮加速度計極性，沖擊測量時，應(yīng)了解后續(xù)三次儀表是否對極性有要求。

　　4.用螺安裝的傳感器推薦安裝力矩為3Nm。

　　5.對大型超低頻傳感器(如KD14000L/KD12000L)螺釘安裝時，用手輕擰即可。該類傳感器水平任意面均可利用自重進行地脈動測試。

　　可特制或采用浮動型傳感器，以對地絕緣。

　　加速度計的維護

　　加速度計是精密換能儀器，必須妥善保管。為防止跌落時產(chǎn)生的大沖擊損壞傳感器，尤其是大結(jié)構(gòu)傳感器(如防水型、低頻高靈敏度)要特別注意!

　　為了保證其壓電傳感器的高阻抗性，要求用戶使用或儲存?zhèn)鞲衅鲿r應(yīng)防止水浸、水汽，盡量置干燥處,防止插座部位污染,不得自行拆開傳感器。

　　加速度計不得超過在本說明書技術(shù)中規(guī)定的條件下使用，在重要實驗前或大的沖擊、振動后，建議對加速度計進行復(fù)驗。