（1）工作原理

压电式加速度传感器的结构如图3.42所示，工作原理如图5.5所示。它是绝对式（惯性式）传感器。压电式加速度传感器是质量⁃弹簧系统，底座或与它相当的部位固定在需要测量振动的点上，压电材料感受到由质量块m与底座的相对运动产生的加速度。压电材料在产生机械应变时就会产生电荷。压电式加速度传感器在工作时相当于单自由度系统在基础运动时的受迫振动，它先将被测物体的绝对振动加速度x··1转换成质量块m对壳体的相对位移x01，再经弹簧将x01转换成与x01成正比的力，最后经压电晶片转换成电荷输出。

图5.5　压电式加速度传感器工作原理

（2）惯性式传感器的正确响应条件

1）惯性式位移传感器的正确响应条件

如图5.5所示，传感器模型输入信号为被测物体的位移x1，这样的传感器为惯性式位移传感器。由图5.4可知，要使惯性式位移传感器输出位移x01能正确地反映被测振动的位移量x1，则必须满足下列条件：

①ω/ωn≫1，一般取ω/ωn＞（3～5），即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动下限频率。此时，Ax（ω）≈1，不产生振幅畸变，φx（ω）≈－180°。

②选择适当阻尼比，可抑制ω/ωn＝1处的共振峰，使幅频特性平坦部分扩展，从而扩大下限的频率。例如，当取ξ＝0.7时，若允许误差为±2％，下限频率可为2.13ωn；若允许误差为±5％，下限频率则可扩展到1.68ωn。增大阻尼比，能迅速衰减固有振动，对测量冲击和瞬态过程较为重要，但不适当地选择阻尼比会使相频特性恶化，引起波形失真。当ξ＝0.6～0.7时，相频曲线在ω/ωn＝1附近接近直线，称为最佳阻尼比。

位移传感器的测量上限频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元件的限制，不能太高。下限频率则受弹性元件的强度和惯性块尺寸、质量的限制，使ωn不能过小。因此，位移传感器的工作频率范围仍然是有限的。

2）压电式（惯性式）加速度传感器的正确响应条件

惯性式加速度传感器质量块的相对位移x01与被测振动的加速度x··1成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动加速度的大小。加速度传感器幅频特性Aa（ω）的表达式为

由式（5.12）可得其幅频特性曲线，如图5.6所示。

图5.6　惯性式加速度传感器幅频特性曲线

由图5.6可知，要使惯性式加速度传感器的输出量能正确地反应被测振动的加速度，则必须满足以下条件：

①ω/ωn≪1，一般取，即传感器的ωn应远大于被测振动的频率ω。此时，Aa（ω）≈1＝常数。因此，一般加速度传感器的固有频率ωn均很高，在20kHz以上，这可采用质量轻的质量块及刚度系数大的弹簧系统来达到。随着ωn的增大，可测上限频率也提高，但灵敏度减小。

②选择适当阻尼，可改善ω＝ωn的共振峰处的幅频特性，以扩大测量上限频率，一般取ζ＜1。若取ζ＝0.65～0.7，则保证幅值误差不超过5％的工作频率可达0.58ωn。其相频曲线与位移传感器的相频曲线类似（见图5.4）。当ω/ωn≪1和ξ＝0.7时，在ω/ωn＝1附近的相频曲线接近直线，是最佳工作状态。(www.daowen.com)

3）惯性式速度传感器的正确响应条件

惯性式速度传感器质量块的相对位移x01与被测振动的速度成正比，因而可用质量块的位移量来反映被测振动速度的大小。速度传感器幅频特性Av（ω）的表达式为

要使惯性式速度传感器的输出量能正确地反应被测振动的速度，则必须满足条件

此时，Av（ω）≈1/2ζωn＝常数。

由于惯性式速度传感器的有用频率范围十分小，因此，在工程实践中很少使用。工程中所使用的动圈型磁电式速度传感器是在位移计条件下应用的。其工作原理是基于振动体的振动引起放在磁场中的芯杆、线圈运动，运动的线圈切割磁力线，使线圈中感生电动势。该电动势与芯杆、线圈以及阻尼环所组成的质量部件的运动速度V＝dx/dt成正比。

（3）压电式加速度传感器的安装

压电式加速度传感器在使用时是固定在被测物体上的。国际标准中规定，利用钢制螺栓将加速度传感器固定在体积为1 in3（1 in＝25.4mm），质量m为180 g的振动物体上所测量到的传感器共振频率作为该加速度传感器的安装共振频率指标。从理论上讲，安装共振频率与传感器固有频率有一定的对应关系，当振动物体的质量与传感器内的惯性质量相比为无限大时，两者是相等的。安装方法、安装条件会影响安装共振频率。

图5.7　压电式加速度传感器的幅频特性

一般小阻尼（ζ＜0.1）的压电式加速度传感器，上限频率若取为安装共振频率的1/3，可保证幅值误差低于1dB（即12％）；若取为安装共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6％），相移小于30°。为了保证测量精度，一般要求安装共振频率要为传感器的使用频率的5倍以上，因此，在实际使用中，总是希望获得高的安装共振频率，以传递较大的加速度。压电式加速度传感器出厂时给出的幅频曲线（见图5.7）是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。表5.1列出了压电式加速度传感器的常用安装方法及使用性能。

表5.1　压电式加速度传感器的安装方法及使用性能

（4）压电式加速度传感器的特点

压电式加速度传感器灵敏度高、体积小、性能稳定、测量精度高，具有较广的线性频率范围，在振动测试和故障诊断监测中应用很广。如第3章3.6节所述，压电式加速度传感器需要前置放大器，一般采用电荷放大器以排除电缆电容的影响。如今也有将前置放大器与传感器集成于一体的ICP加速度传感器，能直接与记录和显示仪器连接，简化了测试系统。

为了扩宽压电式加速度传感器的工作频率范围，必须提高传感器的固有频率，但随着固有频率的提高，传感器的灵敏度会下降。为满足各个领域振动测量的需要，压电式加速度传感器常做成一个序列，从高固有频率、低灵敏度的宽频带加速度传感器，到高灵敏度，低固有频率的低频加速度传感器。灵敏度越高，压电式加速度传感器的质量也越大。机械工程振动测试通常使用的压电式加速度传感器的工作频率上限为4 000～6 000Hz，电荷灵敏度为2～10pC/ms－2左右，质量为10～50g。表5.2列出了某厂不同型号的压电式加速度传感器的性能指标。

表5.2　某厂不同型号的压电式加速度传感器性能指标