電機加速度傳感器

電機加速度傳感器

工作原理

壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)"，具有“壓電效應(yīng)"的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。                                              

構(gòu)成

壓電式加速度傳感器 壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)和安裝壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式

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常用的壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式如圖。S是彈簧，M是質(zhì)量塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化， 易引起溫度漂移。圖c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承 受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。圖b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。

特性曲線

加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率

一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的 1/3，便可保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關(guān)，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難于達(dá)到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。加速度計與試件的各種固定方法見圖.

固定方法

簡介

其中采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計,但墊圈應(yīng)盡量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上，也可用于低溫（40℃以下）的場合。手持探針測振方法,在多點測試時使用特別方便，但測量誤差較大，重復(fù)性差，使用上限頻率一般不高于 1000Hz。用專用磁鐵固定加速度計，使用方便，多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓或粘接劑的固定方法也長使用。某種典型的加速度計采用上述各種固定方法的共振頻率分別約為：鋼螺栓固定法31kHz，云母墊片28kHz，涂簿蠟層29kHz，手持法2kHz，磁鐵固定法7kHz。

靈敏度

壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和 電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。 加速度單位為m/s^2，但在振動測量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g作單位，1g= 9.80665m/s^2。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有 測振儀器都用g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標(biāo)出。

對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大 ，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。

壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。

前置放大器

壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導(dǎo)體充電 到電壓U=q/Ca（這里Ca是加速度計的內(nèi)電容）。要測定這樣微弱的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導(dǎo)線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應(yīng)具有輸 入阻抗，把泄漏減少到測量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。

壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器就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(fù)反饋，使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。

從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有“低通"特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由于低頻尤其小振幅振動時，加速度 值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱，信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動速度和位 移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率"，約為0.1～1Hz左右。

應(yīng)用場合

在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如手提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。