上海交通大学：《检测技术基础 Fundamentals of Test & Measurement Technology》课程教学资源_检测技术B_4.3.3 加速度检测技术

4.3.3加速度检测技术 当前广泛采用基于测量惯性力的加速度传感 器，例如电阻应变式、压阻式和压电式加速 度传感器 它们的工作原理是：敏感质量块感受加速 度，而产生与之成正比的惯性力F=ma,再 通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力， 或通过压电元件把惯性力转变成电荷量，然 后通过测量应变、应力或电荷来间接测量加 速度

当前广泛采用基于测量惯性力的加速度传感 器，例如电阻应变式、压阻式和压电式加速 度传感器 它们的工作原理是: 敏感质量块感受加速 度，而产生与之成正比的惯性力F＝ma，再 通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力， 或通过压电元件把惯性力转变成电荷量，然 后通过测量应变、应力或电荷来间接测量加 速度 4.3.3 加速度检测技术

一、压电式加速度传感器 l、压电效应(piezoelectric effect): ●有一些电介质，由于其晶体结构的特殊性，当沿着一定方向 受到作用力时，内部产生极化现象，同时，在电介质的某两个 表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，电荷也随之消 失，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。 ●反之，当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在 一定方向上产生机械变形或机械应力，当外加电场撤去后，这 些变形或应力也随之消失，这种现象称为逆压电效应.逆压电 效应亦称为电致伸缩效应

一、压电式加速度传感器 1、压电效应（piezoelectric effect）： ●有一些电介质，由于其晶体结构的特殊性，当沿着一定方向 受到作用力时，内部产生极化现象，同时，在电介质的某两个 表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，电荷也随之消 失，又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。 ●反之，当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在 一定方向上产生机械变形或机械应力，当外加电场撤去后，这 些变形或应力也随之消失，这种现象称为逆压电效应．逆压电 效应亦称为电致伸缩效应

压电效应产生的电荷密度·与外应力张量T成正比， 极化面 o =dT d=(d)-压电常数矩阵 i=13: 士士+士士士± 产生电荷的表面，⊥x,y、z轴 j=16: T1、T2、T3为沿x、y、z向的正应力分量 T4Ts、T6为绕x、y、z轴的切应力分量（逆针为正）

压电效应产生的电荷密度σ与外应力张量 T成正比， σ= d T d= (dij) ---压电常数矩阵 i=1~3: 产生电荷的表面 , ⊥ x ， y 、 z 轴 j=1~6: T 1 、 T 2 、 T 3为沿 x 、 y 、 z向的正应力分量 T 4 、 T 5 、 T 6为绕 x 、 y 、 z轴的切应力分量（逆针为正）

Z Ts Y Ts X

X Z Y T5 + T5

纵向压电效应 横向压电效应 剪切压电效应

纵向压电效应 横向压电效应 剪切压电效应

2、特点 •灵敏度及分辨率高 •具有良好的动态性能；固有频率高，工作频带宽 •体积小，重量轻，结构简单，工作可靠 •如利用正压电效应研制成压电电源，煤气炉和汽车发动机的自 动点火装置等多种压电发生器 ·同时，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变 换为力的有关物理量，如压力、加速度、振动冲击等 •利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器等 •压电转换元件的主要缺点是无静态输出，要求有很高的电输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆 ·压电器件是一种典型的双向有源传感器，广泛用于传感器、超 声、通讯、宇航、雷达和医疗等领域 压电式传感器广泛用于测量力、压力、加速度、温度和红外光 (热释电效应)等物理量

•灵敏度及分辨率高 •具有良好的动态性能；固有频率高，工作频带宽 •体积小，重量轻，结构简单，工作可靠 •如利用正压电效应研制成压电电源，煤气炉和汽车发动机的自 动点火装置等多种压电发生器 •同时，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变 换为力的有关物理量，如压力、加速度、振动冲击等 •利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器等 •压电转换元件的主要缺点是无静态输出，要求有很高的电输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆 •压电器件是一种典型的双向有源传感器，广泛用于传感器、超 声、通讯、宇航、雷达和医疗等领域 •压电式传感器广泛用于测量力、压力、加速度、温度和红外光 （热释电效应）等物理量 2、特点

3、常用的有三种压电材料： ●压电晶体-单晶体受外力作用时其内部晶格结构变形，使原来 宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化现象一正负电荷中 心不重合，对外呈现出电性 常见的有石英，酒石酸钾钠、铌酸锂等压电单晶 ●压电陶瓷-是人造多晶体。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发 极化的电畴。各晶粒内电畴任意方向排列，极化作用相互抵消， 陶瓷内极化强度为零。对陶瓷进行极化处理，即在一定温度下施 加外电场，电畴的极化方向发生转动，趋于按外电场方向排列， 从而使材料得到极化。外电场撤离后陶瓷材料内部仍存在有剩余 极化。此后，陶瓷材料受到外力作用发生变形时，电畴的界限发 生移动，引起极化强度变化，于是压电陶瓷就具有了压电效应 常用的钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷PZT等 。其他新型压电材料-压电半导体、有机高分子压电材料

●其他新型压电材料--压电半导体、有机高分子压电材料 3、常用的有三种压电材料： ●压电晶体--单晶体受外力作用时其内部晶格结构变形，使原来 宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化现象——正负电荷中 心不重合，对外呈现出电性。 常见的有石英，酒石酸钾钠、铌酸锂等压电单晶 ●压电陶瓷--是人造多晶体。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发 极化的电畴。各晶粒内电畴任意方向排列，极化作用相互抵消， 陶瓷内极化强度为零。对陶瓷进行极化处理，即在一定温度下施 加外电场，电畴的极化方向发生转动，趋于按外电场方向排列， 从而使材料得到极化。外电场撤离后陶瓷材料内部仍存在有剩余 极化。此后，陶瓷材料受到外力作用发生变形时，电畴的界限发 生移动，引起极化强度变化，于是压电陶瓷就具有了压电效应 常用的钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷PZT等

(1)石英晶体 时间和温度稳定性极好，压电常数在常温下几乎不变，机械 强度和品质因数高，刚度大，动态特性好，重复性好，线性 范围宽，多用于高精度、大量程的测力场合（几十N~MN) 光轴 机械轴 电轴 A y 6 B 正、负离子分布在正六边形的顶角上 x

⑴石英晶体 时间和温度稳定性极好，压电常数在常温下几乎不变，机械 强度和品质因数高，刚度大，动态特性好，重复性好，线性 范围宽，多用于高精度、大量程的测力场合（几十mN~MN) 电轴 机械轴 光轴 正、负离子分布在正六边形的顶角上

(2)压电陶瓷 压电常数远高于石英晶体，灵敏度高，价廉，用途较广 压电陶瓷有三种不同的压电效应： 横向压电效应：压力测量 纵向压电效应：测力 剪切压电效应：测力 电场 方向

⑵压电陶瓷 压电常数远高于石英晶体，灵敏度高，价廉，用途较广 压电陶瓷有三种不同的压电效应： 横向压电效应：压力测量 纵向压电效应：测力 剪切压电效应：测力

4、压电元件的结构形式： 形状、数目（单、双、多晶片）、连接方式（串、并联） (a) (c) (d) (e) (b) (1) (k) G) (i) (h) 多晶片并联 多晶片串联

4、压电元件的结构形式： 形状、数目（单、双、多晶片）、连接方式（串、并联） 多晶片并联 多晶片串联