压缩型结构和剪切型结构是压电加速度传感器最常见的结构形式，如图14-17所示。

图14-17　压缩型和剪切型压电加速度传感器典型结构

（a）压缩型；（b）剪切型

压缩型结构通常采用预紧结构为压电元件提供一个预压力，从而使其受到双向加速度时均可有效敏感。剪切型结构因其质量块受到双向加速度时可以对压电元件产生双向的剪切力，可以不考虑预紧。

图14-18　压电加速度传感器工作原理

压电加速度传感器的运动学模型可以简化为单自由度二阶力学系统，如图14-18所示。其质量块的运动规律为

式中，m为质量块的质量；xm为质量块相对于传感器基座的位移；y为传感器基座相对于大地的位移；为传感器基座加速度，即被测物体的加速度；c为阻尼系数；k为弹性系数。

设y=y0sinωt，则有

式中，ξ为无因次阻尼比；ωn为传感器的无阻尼谐振频率，即固有频率；ω为物体的振动频率。

压电加速度传感器的阻尼比ξ非常小，一般为0.04，可以忽略不计。在设计加速度传感器时，应尽量地提高传感器的无阻尼谐振频率，在ωn≫ω时，即传感器的无阻尼谐振频率远大于物体的振动频率，有

也就是说，质量块的位移与被测物体加速度成正比。

压电元件在质量块的惯性力作用下，输出的电荷量为

对于一个已知的传感器，其dij、m均为常数，所以传感器输出的电荷Q与被测物体加速度成正比，从而达到了以压电传感器测加速度的目的。(www.daowen.com)

压电加速度传感器可以看作一个电荷源或一个电压源，如图14-19所示。压电元件起到一只电容Ca的作用，它与一只泄漏电阻极高的Ra并联，由于实用中Ra可以忽略不计，压电元件可以当作一只与Ca和电缆电容Cc并联的理想电源Qa，或是与Ca串联并由Cc作为负载的电压源Va。

图14-19　压电加速度传感器与连接电缆的等效电路

（a）电荷等效；（b）电压等效

压电加速度传感器的电荷灵敏度Sqa是以每个加速度单位的电荷（以pC为单位计量）来表示，电压灵敏度根据每个加速度单位的电压来表达。

当加速度传感器受到较低频率的加速度作用时，在压电元件上产生的电荷依靠压电元件的电容储存于其中，并由加速度计的高阻抗电阻Ra阻止电荷的泄漏。但由于加速度传感器的泄漏时间常数有限，若前置放大器的输入阻抗和下限频率的设置范围不合适，就会导致一部分电荷漏掉，造成波形上的失真（图14-20）。

图14-20　传感器和前置放大器泄漏对低频信号造成的失真

需要指出的是，压电加速度传感器的电荷泄漏是在超出传感器的前置放大器系统的许用频率范围时才会发生的，而零点漂移恢复的速度也取决于放大器的下限频率，因此，前置放大器的设计至关重要。

与压电加速度传感器配用的典型前置放大电路有两种：

（1）电荷前置放大器，输出一个与输入电荷成比例的输出电压，但并不对电荷进行放大。

（2）电压前置放大器，输出一个与输入电压成比例的输出电压。

一般而言，优先选用电荷前置放大器。其优点在于，这种前置电路可有效消除由信号电缆带来的噪声电荷的影响，系统灵敏度不受电缆长度影响，这种特性在本章后面的理论分析中会予以证明。电荷放大器采用运算放大器来实现，通过在运放的反馈回路上放置一个电容器构成积分网络对输入电荷进行积分，放大器的输出电压与输入电荷成比例，因而也与加速度传感器所感受的加速度成比例，输出信号由反馈电容的容量进行幅度控制。

与电荷前置放大器相比，电压前置放大器电路简单、元器件少、价格便宜，但其系统灵敏度受电缆长度影响，为此提出了在传感器壳体内封装电压放大器电路的方法，这样的压电传感器称为集成电路压电传感器（Integrated Circuits Piezoe-lectric，ICP），该技术由PCB公司首创。Endevco、奇石乐等公司在20世纪70年代陆续推出了类似产品，通过在最接近传感器的位置配置放大电路，消除了传感器至放大电路间电缆分布电容对系统灵敏度的影响，由于其电路尺寸极小，而放大后的电压量对微弱的传输导线噪声不敏感，从而令其测试应用更为方便。但为了获得较大的动态范围、良好的动态响应特性以及足够的带负载能力，其供电系统通常需要较高的供电电压（18～30 V），限制了该类传感器的应用范围，这种传感器通常用于现场测量。