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    壓電加速度傳感器的原理

    發布日期:2019-08-15 11:28    瀏覽次數:

          應用壓電效應的壓電型加速度傳感器,要根據用途選擇不同的壓電效果。

       從結構上看,各自特點如下:

       (a)   壓縮型(縱向效果)具有高機械強度,適用于沖擊測試等各種測量要求。

       (b)   剪切型(厚度切變效果)不易受到由于溫度變化產生的熱電氣的影響。

       (c)   撓曲型(橫向效果)具有低頻高敏度的特點。

     

       三者結構如下圖(a)(b)(c)所示,區別在于壓電體受到的應力方向不同,其基本原理則大致相同。

       ※熱電氣的說明:壓電體的結晶在無電流無應力狀態下發生極化,此現象稱為自發極化,通常用 Ps 表示。具有 Ps 特性的結晶,其熱振動狀態會隨溫度變化,其大小會隨熱膨脹發生變化。因此 Ps 是溫度函數,結晶的溫度變化量會成為 Ps 的變化量,并在結晶表面產生相應的電位差(正效應),反之施加電流產生相應的溫度變化(逆效應)。此現象我們稱之為熱電氣。

       現在僅對加速度傳感器運動方向為上下的情況進行說明,如上圖(a)(b)中,k 代表壓電體的彈性常數,D 代表空氣阻抗等各種衰減。如圖(a)中在基座上施加位移 x0向上的加速度 a0,彈性常數 k 如圖(b)所示,被壓縮位移 y。

       此時,施加到質量塊 m 上的力 F 可用以下公式表示。

       接下來,我們利用牛頓第二定律[ F=質量 m×加速度 a],可以推導出以下公式。
         

       因此,比彈性質量系(質量塊、壓電體、基座)的固有共振頻率低時,從上述公式可以得出,加速度傳感器的加速度 a0 和壓電體受到的慣性力 F=ma 成比例關系,另外與頻率不相關。  

       而且如果是壓縮型的話,慣性力 F 給壓電體施加了縱向的應力,此時產生的電荷可以由公式推導得出來。

           

      此時,d33、m 是一定的,因此加速度 a0 Q 成一定比例關系。下面根據壓電體的靜態電容C 將電荷 Q 轉換成電壓 V。 根據Q=CV可將公式表示為:

               
      此時,靜態電容 C 為一定的話,a0 V 也成一定比例關系。
     

       如上所示,壓電型加速度傳感器,基座受到的加速度最終會以電壓形式輸出。電荷及電壓輸出都與加速度成一定比例關系,因此通過測量電荷和電壓即可得出加速度。一般電荷輸出稱為電荷靈敏度,電壓輸出稱為電壓靈敏度。

     

     

         

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