壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)：加速度傳感器種類剖析及適用性
原標(biāo)題：加速度傳感器種類剖析及適用性
本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《中國檢驗(yàn)檢測(cè)》2019年第4期，版權(quán)歸《中國檢驗(yàn)檢測(cè)》編輯部所有。
徐文駿
上海航天電子有限公司/上海科學(xué)儀器廠
0 引言
加速度傳感器是工程振動(dòng)測(cè)量中的最重要因素。在測(cè)試系統(tǒng)中，傳感器是數(shù)據(jù)采集分析的第一環(huán)節(jié)，因此，能否正確選擇和使用傳感器將直接影響到測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量和精度。雖然從事工程振動(dòng)的人員都知道這個(gè)概念，但在實(shí)際應(yīng)用中卻往往因?yàn)楦鞣矫娴脑蚨鵁o法正確判斷傳感器是否真實(shí)反映了被測(cè)信號(hào)。另一方面在科技不斷發(fā)展的趨勢(shì)下，環(huán)境模擬的試驗(yàn)條件要求越來越高，與之對(duì)應(yīng)傳感器的技術(shù)指標(biāo)也不斷提高，從而使之前廣泛應(yīng)用的單一標(biāo)準(zhǔn)傳感器發(fā)展到如今類別的多樣化，也對(duì)工程人員在應(yīng)對(duì)不同試驗(yàn)要求的傳感器選擇上增加了相應(yīng)的難度。
1 傳感器的種類
目前市場(chǎng)中常見的加速度傳感器分為三大類別，分別為壓電式、壓阻式和電容式。
1.1 壓電式
壓電式加速度傳感器的構(gòu)造是利用了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)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此力成正比的電荷信號(hào)，從而能采集到數(shù)據(jù)。
壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及不需要外界電源等特點(diǎn)，是目前被工程人員使用最為廣泛的振動(dòng)測(cè)量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器相對(duì)來說結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，誕生時(shí)間也較長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此，在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)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(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。
1.2 壓阻式
壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成的電阻測(cè)量電橋，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。現(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻式敏感芯體的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測(cè)量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測(cè)量，到直流高靈敏度的低頻測(cè)量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測(cè)量頻率范圍也可從直流信號(hào)到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。壓阻式傳感器的最大亮點(diǎn)就是超小型化的設(shè)計(jì)，可以在很多狹小的空間內(nèi)使用。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性，但對(duì)某個(gè)特定設(shè)計(jì)的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，使用的傳感器都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面，使用特殊敏感芯體制造的壓阻式傳感器成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器，通常要達(dá)到好幾倍以上。
1.3 電容式
電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式也采用了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值產(chǎn)生變化。電容式加速度計(jì)于其他類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適用性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較小，能夠運(yùn)用于很多現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境苛刻的數(shù)據(jù)采集；但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，并且受電纜的電容影響，因?yàn)殡娙輦鞲衅鞅旧硎歉咦杩剐盘?hào)源，因此，輸出信號(hào)往往需要通過后繼電路給予改善，對(duì)屏蔽電纜線有著很高的使用要求。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器大多用于低頻測(cè)量，其通用性遠(yuǎn)不及壓電式加速度傳感器，且成本也要比壓電式加速度傳感器高出許多倍。
2 壓電式加速度傳感器的敏感芯體材料和結(jié)構(gòu)形式
2.1 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。壓電型加速度計(jì)最常用的壓電晶體材質(zhì)為石英，因?yàn)槭⒌牟牧咸匦允枪ぷ鳒囟确秶鷮挘阅芊€(wěn)定，所以在實(shí)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)比其他壓電材料低很多，所以通用型的壓電傳感器都采用壓電陶瓷作為主材料。陶瓷中的鋯鈦酸鉛是目前壓電加速度計(jì)中最經(jīng)常使用的壓電材料。其特點(diǎn)為具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度時(shí)間外界條件的變化相對(duì)較小。如圖1所示。
圖1 石英壓電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
但是就同一種的壓電陶瓷而言，雖然都具有相同的基本特性，但由于制作工藝不同可以使兩個(gè)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)象在國產(chǎn)傳感器和進(jìn)口傳感器的互相比較上尤為明顯。兩者雖然材料不同，但是在構(gòu)造上卻是近似一致。如圖2所示。
圖2 陶瓷壓電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.2 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(gè)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(gè)與加速度成正比的電荷信號(hào)。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：
a) 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(diǎn)是制造簡(jiǎn)單方便，能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測(cè)量范圍。而最大的缺點(diǎn)是不能有效地排除各種干擾對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。
b) 剪切形式：通過對(duì)壓電材料施加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上來說在剪切力作用下的壓電材料所產(chǎn)生的電荷信號(hào)受外界干擾的影響甚小，因此，剪切結(jié)構(gòu)形式是最適合廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實(shí)際制造過程中，要確保剪切敏感芯體的加速度計(jì)具有較高和穩(wěn)定的頻率測(cè)量范圍卻是傳感器制造工藝中最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。要得到高參數(shù)指標(biāo)只能采用進(jìn)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(cè)量范圍。
c) 彎曲變形粱形式：壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形粱結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號(hào)，也較容易實(shí)現(xiàn)控制阻尼；但因?yàn)槠錅y(cè)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易產(chǎn)生的信號(hào)漂移，所以此結(jié)構(gòu)在壓電型加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中很少被采用。
3 壓電式加速度傳感器的信號(hào)輸出形式
3.1 電荷輸出型
傳統(tǒng)的壓電加速度計(jì)通過內(nèi)部敏感芯體輸出一個(gè)與加速度成正比的電荷信號(hào)。實(shí)際使用中傳感器輸出的高阻抗電荷信號(hào)必須通過二次儀表將其轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓信號(hào)才能讀取。由于高阻抗電荷信號(hào)非常容易受到干擾，所以傳感器到二次儀表之間的信號(hào)傳輸必須使用低噪聲屏蔽電纜。由于電子器件的使用溫度范圍有限，所以高溫環(huán)境下的測(cè)量一般還是使用電荷輸出型。
3.2 IEPE輸出型
IEPE型壓電加速度計(jì)既工程人員稱之的ICP型壓電加速度計(jì)，也稱為低阻抗電壓輸出型加速度計(jì)。
壓電傳感器換能器輸出的電荷通過裝在傳感器內(nèi)部的前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓輸出，而IEPE型傳感器則為二線輸出形式，采用恒電流電壓源供電，直流供電和信號(hào)使用同一根線的方式，因?yàn)橹绷麟姴糠衷诤汶娏麟娫吹妮敵龆诵枰ㄟ^高通濾波器濾去雜波信號(hào)。
IEPE型傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)和測(cè)量 距離遠(yuǎn)，特別是隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有很多新型的數(shù)采系統(tǒng)很多都已配備恒流電壓源，因此，IEPE傳感器能與數(shù)采系統(tǒng)直接相連而不需要任何其他二次儀表，在振動(dòng)測(cè)試中IEPE傳感器已逐漸取代傳統(tǒng)的電荷輸出型壓電加速度計(jì)。
4 小結(jié)
加速度傳感器隨著科技的發(fā)展，種類不斷的增多，從最早的進(jìn)口制造商B&K，到現(xiàn)在國產(chǎn)的制造商B&W，光是力學(xué)傳感器的種類以及超過了3位數(shù)，并且隨著科技的發(fā)展，越來越多的苛刻試驗(yàn)的順勢(shì)而生，傳感器的原理、分類以及適用性事工程人員所要了解的必修課，只有了解透徹，才能更好的完成試驗(yàn)工作。返回搜狐，查看更多
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壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)：壓電式加速度傳感器的工作原理_壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)
壓電式加速度傳感器的工作原理
壓電式加速度傳感器的傳感元件為壓電晶體。若沿壓電晶體的極化方向施加一外力使其變形，則壓電晶體內(nèi)部發(fā)生極化，受力的兩端面出現(xiàn)極性相反的電荷，若撤去外力，則壓電晶體恢復(fù)到初始狀態(tài)，這就是正壓電效應(yīng)。若沿壓電晶體的極化方向施加一電場(chǎng)，則壓電晶體出現(xiàn)變形，若撤去電場(chǎng)，則壓電晶體恢復(fù)到初始狀態(tài)，這就是逆壓電效應(yīng)。壓電式加速度傳感器就是利用了壓電晶體的正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)的測(cè)量。
壓電式加速度傳感器常見的結(jié)構(gòu)形式有中心壓縮式、環(huán)形剪切式、三角剪切式。測(cè)量被測(cè)對(duì)象振動(dòng)大小時(shí)，需選擇測(cè)點(diǎn)并將加速度傳感器安裝牢靠。將壓電式加速度傳感器的壓電晶體看做理想彈性體，忽略壓電晶體與殼體之間連接膠層的質(zhì)量，只考慮膠層的阻尼系數(shù)，并將壓電式加速度傳感器一端簡(jiǎn)化為自由端、一端簡(jiǎn)化為固定端，則可得到其工作時(shí)的力學(xué)簡(jiǎn)化模型，力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖1所示。壓電式加速度傳感器的振動(dòng)方程為mx2+cx1+kx=F（t）
式中： m為壓電晶體的質(zhì)量kg；c為膠層的阻尼系數(shù)N·s /m；k為壓電晶體的剛度系數(shù)N/m；x為壓電晶體的位移m；x1為壓電晶體的速度m/s；x2為壓電晶體的加速度m/s2；F（t）為作用于壓電式加速度傳感器的外力N。
壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)
壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)型犬有壓縮型、剪切型和彎曲型三種，圖11—5為壓縮型加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。其敏感元件是壓電晶體片4，晶體片上壓一個(gè)質(zhì)量塊3，用一個(gè)剛度較大的彈簧2對(duì)這個(gè)質(zhì)量塊施加一個(gè)預(yù)緊力，并將它們綻在一個(gè)帶有厚的基座6的金屬外殼1內(nèi)。當(dāng)加速度計(jì)安裝在被測(cè)扳動(dòng)物體上而隨之板動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就產(chǎn)生一個(gè)正比于振動(dòng)加速度的力作用在壓電晶體片上，根據(jù)正壓電效應(yīng)，在晶體片兩相對(duì)的表川上就產(chǎn)生交變的電材，共大小與作用力成正比，田質(zhì)量塊的質(zhì)量固定不變，所以晶體片上的電荷與扳動(dòng)加速度成正比.
壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)：壓電式加速度傳感器的應(yīng)用及選擇
描述
壓電式加速度傳感器應(yīng)用場(chǎng)合
在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如手提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。
壓電式加速度傳感器的選擇
一、靈敏度的選擇
制造商在產(chǎn)品介紹或說明書中一般都給出傳感器的靈敏度和參考量程范圍，目的是讓用戶在選擇不同靈敏度的加速度傳感器時(shí)能方便地選出合適的產(chǎn)品，最小加速度測(cè)量值也稱最小分辨率，考慮到后級(jí)放大電路噪聲問題，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可用值，以確保最佳信噪比。最大測(cè)量極限要考慮加速度傳感器自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓。
估算方法：最大被測(cè)加速度×傳感器電荷（電壓）靈敏度，其數(shù)值是否超過配套儀器的最大輸入電荷（電壓）值。建議如已知被測(cè)加速度范圍可在傳感器指標(biāo)中的“參考量程范圍”中選擇（兼顧頻響、重量），同時(shí)，在頻響、質(zhì)量允許的情況下，盡量選擇高靈敏度的傳感器，以提高后續(xù)儀器輸入信號(hào)，提高信噪比。在兼顧頻響、質(zhì)量的同時(shí)，可參照以下范圍選擇傳感器靈敏度：以電荷輸出型壓電加速度傳感器為例：
1. 土木工程和超大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)在0.1g-10g（1g=9.81m/s2）左右，可選電荷靈敏度在300pC/ms-2～30pC/ms-2的壓電加速度傳感器，屬于電荷輸出型壓電加速度傳感器。
2. 特殊的土木結(jié)構(gòu)（如樁基）和機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)在100ms-2～1000ms-2，可選擇20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度傳感器。
3. 沖擊，碰撞測(cè)量量程一般ms-2～ms-2，可選則傳感器靈敏度是0.2pC/ms-2～0.002pC/ms-2的加速度傳感器。
二、頻率選擇
制造商給出的加速度傳感器的頻響曲線是用螺釘剛性連接安裝的。
一般將曲線分成二段：諧振頻率和使用頻率。使用頻率是按靈敏度偏差給出的，有±10%、±5%、±3dB。諧振頻率一般是避開不用的，但也有特例，如軸承故障檢測(cè)。選擇加速度傳感器的頻率范圍應(yīng)高于被測(cè)試件的振動(dòng)頻率。有倍頻分析要求的加速度傳感器頻率響應(yīng)應(yīng)更高。土木工程一般是低頻振動(dòng)，加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍可選擇0.2Hz～1kHz，機(jī)械設(shè)備一般是中頻段，可根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速、設(shè)備剛度等因素綜合估算振動(dòng)頻率，選擇0.5Hz～5kHz的加速度傳感器。如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rms時(shí)，除以60s此時(shí)它的主頻率為50Hz。碰撞、沖擊測(cè)量高頻居多。
加速度傳感器的安裝方式不同也會(huì)改變使用頻響（對(duì)振動(dòng)值影響不大）。
安裝面要平整、光潔，安裝選擇應(yīng)根據(jù)方便、安全的原則。我們給出同一只RC6500S加速度傳感器不同安裝方式的使用頻率：螺釘剛性連接（±10%誤差）10kHz;環(huán)氧膠或“502”粘接安裝6kHz;磁力吸座安裝2kHz；雙面膠安裝1kHz。由此可見，安裝方式的不同對(duì)測(cè)試頻率的響應(yīng)影響很大，應(yīng)注意選擇。加速度傳感器的質(zhì)量、靈敏度與使用頻率成反比，靈敏度高，質(zhì)量大，使用頻率低，這也是選擇的技巧。
三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)
內(nèi)部結(jié)構(gòu)是指敏感材料晶體片感受振動(dòng)的方式及安裝形式。
有壓縮和剪切兩大類，常見的有中心壓縮、平面剪切、三角剪切、環(huán)型剪切。
中心壓縮型頻響高于剪切型，剪切型對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好于中心壓縮型。如配用積分型電荷放大器測(cè)量速度、位移時(shí)，最好選用剪切型產(chǎn)品，這樣所獲得的信號(hào)波動(dòng)小，穩(wěn)定性好。
四、內(nèi)置電路
內(nèi)置的概念是將放大電路置于加速度傳感器內(nèi)，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。它可分雙電源（四線）和單電源（二線、帶偏置，又稱ICP）兩種，下面所指內(nèi)裝電路專指ICP型。目前，內(nèi)置電路傳感器一般是與數(shù)據(jù)采集儀配套，在國內(nèi)使用較多的方面是用于機(jī)械故障、樁基檢測(cè)，不少在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上也在使用該類產(chǎn)品。ICP型加速度傳感器的供電和信號(hào)輸出共用一根線。其特點(diǎn)是：低阻抗輸出，抗干擾，噪聲小，性能價(jià)格比高，安裝方便，尤其適于多點(diǎn)測(cè)量，穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。內(nèi)置電路傳感器靈敏度的選型計(jì)算：
被測(cè)加速度值（g）=最大輸出電壓（mV）/傳感器靈敏度（mV/g）
如選用目前最為通用的100mV/g，可測(cè)50g以內(nèi)振動(dòng)，如測(cè)量100g，則用50mV/g的加速度計(jì)，其余以此類推。
五、環(huán)境影響
某些測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較為惡劣，考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強(qiáng)磁電場(chǎng)及地電回路等，均會(huì)給測(cè)量帶來很大的影響。
防水：防水有兩個(gè)概念，淺層防水和深層防水，尤以深層防水為難，如三峽工程永久船閘閘門的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，水深近百米，它涉及地回路干擾、高壓滲水、導(dǎo)線防護(hù)、長期可靠性等諸多問題。
高溫：多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為可用值，而不是高溫狀況的靈敏度，實(shí)際上，高溫時(shí)靈敏度偏差較大，特殊用戶應(yīng)向廠商索取專用的高溫時(shí)的靈敏度指標(biāo)，靈敏度指標(biāo)是保證測(cè)試準(zhǔn)確的關(guān)鍵。
位置限制：加速度傳感器永久安裝在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)受到人為碰撞，應(yīng)選擇工業(yè)型長期監(jiān)測(cè)加速度傳感器，它采用外加防護(hù)罩，三角法蘭安裝，具有對(duì)地絕緣、防塵的作用。對(duì)出線方向有要求的可向制造商提出。對(duì)于不能觸及的部位，可用手持式加速度傳感器（帶長探針）。
絕緣、地電回路及磁電場(chǎng)：對(duì)磁電場(chǎng)較強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)選擇特殊外殼材料的加速度傳感器和專用導(dǎo)線，此類研究國內(nèi)還比較少見。對(duì)于兩點(diǎn)接地、潮濕等現(xiàn)場(chǎng)，要解決好測(cè)試干擾則可采用浮地或絕緣型加速度傳感器，同時(shí)要考慮導(dǎo)線接頭的防護(hù)。為了克服兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地產(chǎn)生地電回路電流對(duì)測(cè)試的影響，可以選用浮地或絕緣傳感器。沒有特殊要求且干擾不大的工況，可用絕緣型加速度傳感器，而永久型監(jiān)測(cè)或干擾大的工況則應(yīng)采用浮地型。這二種命名的區(qū)別在于絕緣型產(chǎn)品的外殼為信號(hào)地，而浮地型產(chǎn)品的外殼為屏蔽層。
附加質(zhì)量：在振動(dòng)結(jié)構(gòu)上安裝的加速度傳感器的質(zhì)量要小于被測(cè)點(diǎn)的自身動(dòng)態(tài)質(zhì)量的1/10即可，認(rèn)為對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響可以忽略。
六、配套儀器
壓電類加速度傳感器如是電荷輸出的，可與任何一種高阻輸入的電荷放大器或具有電荷前置功能的采集器相配，電荷放大器種類較多，有單臺(tái)、多路、積分、準(zhǔn)靜態(tài)，這都要根據(jù)測(cè)量要求來確定。
也有特例，如直接將壓電傳感器的輸出信號(hào)接入具有一定高阻性能的三次儀表（如示波器），同樣可測(cè)得信號(hào)，但因阻抗匹配不夠，只能是定性了解動(dòng)態(tài)狀況。內(nèi)裝IC放大器加速度傳感器（ICP型）專門有恒流適配器，一臺(tái)恒流適配器可供多只加速度傳感器的恒流供電及信號(hào)輸出。對(duì)于提供恒流源供電的數(shù)據(jù)采集儀器，可以將該類型傳感器直接接入數(shù)據(jù)采集儀器。雙電源供電的加速度傳感器可由采集器提供雙電源或用雙路直流穩(wěn)壓電源供電。目前ICP加速度傳感器的典型供電方式為：24V4mA恒流。
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壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)：河北工業(yè)大學(xué)徐桂芝教授：大健康背景下生物電工領(lǐng)域的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
壓電振動(dòng)傳感器通過安裝在電力設(shè)備表面的振動(dòng)傳感器獲得振動(dòng)信號(hào)，從中提取特征量后結(jié)合數(shù)據(jù)處理及故障診斷方法，可有效評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)或臨時(shí)性檢測(cè)。
壓電振動(dòng)傳感器是感知振動(dòng)信號(hào)的傳感器件，按用途可分為壓電加速度傳感器、壓電力傳感器、壓電力矩傳感器、壓電應(yīng)力傳感器等，其中以壓電加速度傳感器使用最為廣泛。
按不同振動(dòng)方式和傳感器結(jié)構(gòu)，壓電加速度傳感器可分為壓縮式（d33型）、剪切式（d15型）、彎曲式（d31型）等。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力較大而結(jié)構(gòu)形變不大時(shí)，選擇d33型轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)力較小而形變大時(shí)，考慮選擇d31型轉(zhuǎn)換。
剪切式壓電加速度傳感器如圖1所示。其結(jié)構(gòu)與壓縮式傳感器類似，壓電敏感元件處于中心柱和質(zhì)量塊中間，采用壓縮環(huán)或螺栓提供預(yù)壓力。在接收外部振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的剪切應(yīng)力直接作用在敏感元件上。
由于敏感元件和傳感器基座分離，敏感元件受溫度影響較小。壓電元件圍繞固定中心支柱徑向安裝，慣性質(zhì)量塊圍繞這些元件安裝。整個(gè)結(jié)構(gòu)通過最常用的粘接方式連在一起，剪切型加速度通常表現(xiàn)出更高的基座應(yīng)變靈敏度和溫度瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度。
圖1 剪切式壓電加速度傳感器
也有課題組和企業(yè)針對(duì)復(fù)雜空間測(cè)量需求，研發(fā)多模式混合加速度傳感器和三軸加速度傳感器。
GaoXiangyu等基于PNN-PZT壓電材料，設(shè)計(jì)了同時(shí)具有d33和d31振動(dòng)模式的鈸形壓電傳感器；HanRuihua等設(shè)計(jì)基于PZT壓電薄膜的四懸臂梁彎曲式三軸加速度傳感器，諧振頻率230.46Hz，X、Y、Z三軸電荷靈敏度分別達(dá)到23.85pC/g、4.62pC/g和4.62pC/g。飛思卡爾、西人馬等公司也分別推出2.7kHz帶寬的三軸模擬加速度傳感器和靈敏度（±10%）100mV/g、頻率響應(yīng)（±5%）10Hz~6kHz的壓縮式三軸加速度傳感器。
本文編自2021年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“壓電材料與器件在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用”，作者為姚睿豐、王妍 等。
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