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振动加速度传感器的工作原理解析
发布时间:2021-01-04   点击次数:99次

最chang用的振动加速度传感器是压电式加速度计。这种类型的传感器具有非常广泛的动态测量范围。还有很多其他类型的加速度计被用于测量很低频率的加速度,例如汽车的制动,提升机的运行状态,甚至于地球产生的重力加速度。这些测量项目主要依靠压阻、电容和伺服技术。

 

压电式加速度传感器

 

压电式加速度计坚固耐用,结构紧凑,频率响应范围宽,适用于监测滚动轴承等很高频率的振动。压电式加速度传感器是惯性式传感器,采取在机器外壳安装的结构。

 

压电传感器这些固有特性是因为使用压电材料作为敏感元件。传感器的震荡质量块在加速度作用下产生惯性力,这个力对具有一定刚度的压电元件产生压电效应。在低于震荡质量固有频率的一个频率范围内,传感器输出的电量与加速度成正比。压电加速度计的典型频率响应如下图所示。

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压电效应与压电材料

 

某些材料受到一定方向的外力F而发生变形时,在一定表面上产生电荷q,当外力撤销后,恢复到不带电状态,这种现象称为压电效应。相反,如果这些材料在极化方向被外电场作用,就会在一定方向产生机械变形或应力,如果撤除外电场,这些变形或应力也随之消失,这种现象称为逆压电效应,即电致伸缩效应。压电敏感元件是由压电材料表面镀金属膜构成的,其等效电路为电容器,如下图所示。

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如果从晶体中切下一个平行六面体,并使其晶面分别平行于zyz轴。这个晶片在自然状态下不显电性,受外力作用时,将沿x轴方向形成电场,其电荷分布于垂直于z轴的平面。沿z轴方向加力F、产生纵向压电效应,沿y轴加力F,产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生切向压电效应,如下图所示。

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根据传感器的工作模式,压电加速度计可以分为两种主要类型∶内置电子仪器压电型,即IEPEInternalelectronicpiezoelectric,内置电子仪器的压电型)型,包含内置微电子信号调理器;而电荷型加速度计只有自源式的压电敏感元件。

 

电阻/压阻式加速度传感器

 

电阻式加速度计使用应变计作为敏感元件。当底座被加速时,通过悬臂梁传送的力使质量块产生加速度。用应变计测量梁的挠曲,为取最大灵敏度,通常采用压阻式应变计,并且由四个应变计组成惠斯登电桥。在壳体内灌注阻尼流体,作为振荡阻尼。这种加速度计的测量范围达到士1000g。然而,它的固有频率一般较低,使用频率的上限仅为几百赫兹。虽然某些产品的频率上限可达12kHz,但是比压电传感器的频率上限低很多。应变计加速度计的价格比压电加速度计便宜很多。

 

现代压阻加速度计采用MEMSMicro-electro-mechanicalSystems,微型机电系统)技术制造。在这种加速度计中,应变计被直接扩散到挠曲元件上,因此半导体硅既是挠曲原件又是传感元件。因为挠曲原件的刚度大,所以频率范围广。同时具有尺寸小,灵敏度高(压阻应变计的灵敏系数是金属应变计的2550倍),信噪比大,线性和稳定性好的特点。如果进行适当的温度补偿,工作温度为一20120℃

 

电容式加速度传感器

 

MEMS电容式加速度计的敏感元件用静电键合工艺构成平板电容器,具有频响范围宽,低频直至零频,性能稳定,结构坚固,使用方便的特点。内置电子电路,提供高电平、低阻抗输出。虽然设计的加速度测量值较低,但是能够承受很大的加速度冲击。适用于弹道监视、结构评估、颤振试验,汽车悬架和制动器试验等应用。

 

伺服式加速度传感器

 

伺服式加速度计即力平衡式加速度计,其工作原理如下图所示。

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在这种装置中,加速度引起摆块的轻微移动。该移动被位置敏感元件测量,并且通过反馈网络产生驱动扭矩马达的电压,使得摆块向回移动,接近它的初始位置。所需的扭矩与加速度成正比,所以用于驱动扭矩马达的电压就是加速度的度量。伺服加速度计非常精que,大量地应用于飞机导航系统和卫星控制系统。它的线加速度测量范围可达到50g,并且还可以测量角加速度。由于其固有频率低,通常低于200Hz,所以主要用于静态和低频的测量。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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