一、壓電式加速度傳感器概述

壓電式加速度傳感器作為慣性式傳感器的一種，憑借其獨特的壓電效應在振動測量領域發揮著重要作用。

壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體，如石英、壓電陶瓷等，在一定方向上受力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態。這種奇妙的現象為傳感器的工作提供了基礎。

在實際應用中，當加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。這使得壓電式加速度傳感器能夠準確地測量物體的加速度。

由于其工作原理的特殊性，壓電式加速度傳感器在眾多領域都有廣泛的應用。例如在機械振動監測方面，可周期性地監測馬達、泵、壓縮機、渦輪機、電風扇等設備的軸承磨損情況、不平衡及裝置斷裂等強度的增加，無需停下設備進行檢測，大大節約了時間和成本。在地震監測領域，可測量大型建筑物的地面、小型建筑、橋梁振動和檢測因地震、施工、礦場作業、大型傳送帶運輸車所引起的機構變化。在環境應力檢測方面，能檢測因溫度循環變化中所引起的產品變化或者部件遭受振動的強度，從而發現物體潛在的缺陷。

總之，壓電式加速度傳感器以其獨特的工作原理和廣泛的應用場景，在現代科技中占據著重要的地位。

二、工作原理詳解

（一）壓電效應基礎

壓電效應是壓電式加速度傳感器的核心工作原理。某些晶體，如石英晶體、壓電陶瓷等，在一定方向上受到外力作用而發生變形時，其內部會產生極化現象。這意味著晶體內部的正負電荷中心發生分離，同時在晶體的兩個相對表面上出現符號相反的電荷。當外力去除后，晶體又會恢復到不帶電的狀態。這種現象被稱為正壓電效應。相反，當在電介質的極化方向上施加電場時，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，此為逆壓電效應。

例如，石英晶體就具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。當石英晶體受到特定方向的外力作用時，其內部產生的電荷量與外力的大小成正比。

（二）傳感器結構與原理結合

壓電式加速度傳感器一般由殼體及裝在殼體內的彈簧、質量塊、壓電元件和固定安裝的基座組成。在壓電片上放置一個質量塊，然后用硬彈簧對質量塊預加載荷，再將整個組件裝在一個基座的金屬殼體內。當傳感器感受振動時，由于彈簧的剛度相當大，質量塊的質量相對較小，可認為質量塊的慣性很小，其感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質量塊就有一個正比于加速度的作用力作用在壓電片上。通過壓電片的壓電效應，在壓電片的表面上就會產生隨振動加速度變化的電壓。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器輸出的電壓與作用力成正比，即與傳感器感受到的加速度成正比。

（三）前置放大器作用

壓電元件受力后產生的電荷量極其微弱，這微弱的電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導體充電到一定電壓。要測定這樣微弱的電荷（或電壓），關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。因此，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內。

壓電式傳感器的前置放大器有電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器是高輸入阻抗的比例放大器，其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。不過，在電荷放大器中通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。