振动量检测及压电式加速度传感器

振动量的检测涵盖位移、速度、加速度、频率、时间、力值、质量等多项参数。依据环境与可靠性试验相关规范对这些参数控制精度的要求，并参照“控制或监测环境试验条件参数仪器的最大测量误差不应超过测量值1/3”的原则，明确各参数测量精度要求如下：

• 位移、速度、加速度幅值：不超过被测值的±3%；

• 频率：不超过被测值的±0.6%，当频率低于25Hz时，绝对测量精度需达到±0.15Hz；

• 时间：原则上测量误差不应超过被测值的±0.3%。

在上述检测参数中，频率、时间、力值、质量等参量的检测精度较易实现。而在正弦振动或随机振动试验中，振动加速度幅值不仅是试验反馈控制的核心参数，更是计算位移、速度的基础参量，因此振动加速度计成为振动试验中最为关键的检测传感器。

一、压电式加速度传感器概述

振动加速度传感器根据其敏感元件“加速度—电信号”的变换原理，可分为电阻式、电容式、变磁阻式、压电式、压阻式、光导纤维加速度传感器等多种类型，其中压电式加速度传感器应用最为广泛。

二、压电式加速度计的原理及结构

压电式加速度计的工作原理基于压电效应：压电元件（如压电陶瓷片、石英单晶片等）受到挤压时，会产生与所受压力成正比的电荷量，通过检测该电荷量，可反推出压电元件所受压力，进而折算得到振动的加速度值。

图1为压电加速度传感器的简化结构图，其核心结构包含上下两片表面镀银的压电元件，中间由一块薄金属片紧密隔开，金属片上焊接有电荷量引出导线；压电元件的另一侧，通过刚度较大的弹簧和螺栓压紧一块由重金属（如钨）制成的质量块，该质量块与硬弹簧组成谐振频率极高的质量—弹簧系统，用于感知外部传来的振动。与传感器基座紧密连接的另一压电元件表面引出接地线，整个组件封装在厚实的基座和保护外壳内。

工作时，质量块—硬弹簧系统与基座从上下两侧对两片压电元件施加方向相反的惯性力，促使压电加速度计输出与基座加速度成正比的电荷量。图2为该传感器结构的简化数学模型，其中m代表质量块质量，k代表压紧弹簧与压电元件组合后的等效刚度，c代表质量块—硬弹簧系统的阻尼系数。

图1  压电式加速度计简化结构图

图2  压电式加速度计结构简化数学模型

实际使用中，需将传感器基座与振动物体刚性固定。当物体发生振动时，传感器内的质量块受到基座传递的惯性力，并将该力传递给压电元件，使压电元件同时受到基座和质量块的上下挤压。由于压电元件的极化效应，其通过引出线输出与挤压力成正比的电荷量，检测该电荷量即可获取压电元件所受压力，进而确定振动物体的加速度幅值及相位。