压电加速度传感器的原理

压电加速度传感器的原理

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[力 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=m・a 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，d33、m 是一定的，因此加速度 a0 与 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 与 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。