图2 压电式加速度传感器结构形式
(2)压电式加速度传感器的主要性能参数
① 灵敏度。压电式加速度传感器既可看成一个电荷源,又可以看成一个电压源,故其灵敏度也可以分别用电荷灵敏度和电压灵敏度来表示。电荷灵敏度是指单位加速度所产生的电荷量值大小,可表示为:
式中
Sq——电荷灵敏度(Pc/g);
q——加速度传感器输出电荷(Pc);
a——传感器所受加速度(g为重力加速度本位)。
电压灵敏度是指单位加速度所产生的电压量值大小,可表示为
式中
Su——电压灵敏度(mV/g);
U——加速度传感器输出电压(mV)。
对于某一给定压电材料的压电式加速度传感器,其灵敏度随质量块的增大而增大。一般说来,加速度传感器尺寸越大,灵敏度越高,其固有频率越低。
② 频率响应范围。由惯性式加速度传感器的响应条件的分析可知,加速度传感器的使用频率上限取决于其共振频率。由于压电式加速度传感器的阻尼甚小(一般ξ ≤0.1),上限频率约为共振频率的30%时,幅值误差可小于10%;上限频率约为共振频率的20%时,幅值误差可小于5%;所以,压电式加速度传感器的固有频率越高,其可用的频率范围越宽。质量小的传感器,其固有频率高,则高频性能好,但由于其灵敏度低,故低频性能差;质量大的传感器则相反。振动测试时可根据实际测试要求选择。
压电式加速度传感器可测量的下限频率不取决于传感器本身,而取决于所采用测量系统的低频特性。压电元件工作时产生的电荷量是极其微弱的,而测量系统不可避免地要产生电荷泄漏,从而造成测量误差。关键是要测定这样微弱的电荷(或电压),以及如何把电荷泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。电压放大器实际就是一个高输入阻抗的比例放大器,其电路比较简单,但输出受连接电缆对地电容的影响,适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈,使用中基本上不受电缆电容的影响,输入阻抗也更高,其下限截止频率更低。一般电荷放大器可达到0.01Hz数量级,最低的可达到准静态的程度。
图3所示是某压电式加速度传感器的幅频特性曲线,其可用的频率范围在特性曲线平直段。对于某些测试项目,如结构传递函数的测量、现场动平衡测试等,不仅要求满足幅值测量精度,而且要求相移也在容许范围内。考虑相移后,使用频率范围要比只考虑幅值时更窄些。