基于压电式加速度计的振动测量原理及应用

　　1概述

　　在工程振动测量中，压电式加速度计被广泛地应用。它包括三向加速度计、线加速度计、角加速度计等。它具有高动态范围、精度高、工作温度范围宽、安装方便(体积小、重量轻)、内部材料(如石英)不随时间和加速度计的工作状态变化而改变等特点。用加速度计进行振动测量时，典型的测量系统由加速度计、电荷(电压)和动态信号分析仪组成。

　　2测振系统工作原理

　　2.1 压电式加速度计的工作原理

　　压电材料(如石英晶片或压电陶瓷片)受到机械载荷时，会在某些特定的表面上产生电荷，其电荷量与所受到的载荷成正比。

　　晶体片两面所带的电荷量大小相等、极性相反，由于晶体片的绝缘电阻很高，因而压电晶体片相当于一个电容器，其电容量可表示为公

　　因此晶体片上产生的电压量与作用力的关系为：

　　式中:一压电晶体的介电常数;

　　S晶体片(构成极板)的而积;

　　8一一晶体片的厚度;

　　d—压电系数;

　　F一一沿晶轴施加的力。

　　压电式加速度计的晶体片确定后，式中d,s,S,8都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。

　　测量时，将压电式加速度计基座与试件刚性固定在一起(安装基而粗糙度1.6N.,m)。当加速度计受振动时，山于压电片具有的压电效应，因此在它的两个表而上就产生交电荷(电压)。而此交变电荷(电压)与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。

　　压电式加速度计的等效电路见图1

　　2.2电荷(电压)放大器

　　电荷放大器是针对压电式加速度计的测量电路，是一种前置放大器，它的输出电压正比于输入电荷。电荷放大器的核心是一一电荷转换级是一种特殊形式的运算放大器，如图2所示。其中电容是C}传感器的等效电容，C,是电荷转换级的反馈电容。

　　根据运算放大器的理论，开环增益和输入阻抗很高的放大器A的输出电压。与输入电动势。关系为图2中叉点的电位几乎为零，是所谓虚地点，为:q=Ca·则:一告、因此电容器C,极板上的r1山上式表明:电荷转换级的输出电压正比于输入电荷。

　　电荷放大器主要技术指标(如:一级B类电荷放大器):①准确度(20士5 )0C:2%;②卜限频率(3dB ):0.3Hz;③上限频率(O.SdB >:30kHz;④失真率}1%;⑤输入等效噪声电荷蕊O.1pC o

　　2.3灵敏度

　　压电式加速度计的灵敏度是指其输出电量(电荷或电压)与输入量(加速度)的比值。