加速度傳感器

加速度傳感器是一種能將加速度信息轉換成電信號的傳感器。 通常由質量塊、阻尼、彈性體、敏感元件、調試器等構成。

原理:在傳感器連同受測物加速過程中,對質量塊所受到的慣性力進行測量,利用a=F/M(牛頓第二定律)計算加速度值。

分類(根據敏感元件):壓電式加速度傳感器、應變式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器、電容式加速度傳感器、電感式加速度傳感器、伺服型加速度傳感器。

壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器(壓電加速度計)原理:利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應,當加速度計發生運動時,質量塊加載在壓電元件上的力會隨之變化,壓電陶瓷或石英晶體受壓,產生電信號。這里的電信號與加速度成正比,指示加速度變化。注意:被測振動頻率需遠低于加速度計的固有頻率。

優點:靈敏度高、信噪比高、動態范圍大、頻率范圍寬、結構簡單、安裝方便、使用壽命長。

缺點:.諧振頻率高,容易受到聲音的干擾;輸出阻抗高,輸出信號弱,傳感器輸出信號需要經過放大電路放大后才能送檢測電路檢測。

應變式加速度傳感器

應變式加速度傳感器 原理:質量塊固定在懸臂梁的一端,而懸臂梁的另一端固定在傳感器基座上,懸臂梁的上下兩個面都貼有應變片并組成惠斯通電橋,質量塊和懸臂梁的周圍填充硅油等阻尼液,用以產生必要的阻尼力。被測物運動導致傳感器運動,其基座通過懸臂梁將運動傳遞給質量塊。此慣性力作用在懸臂梁使之發生形變,引起其上的應變片電阻值變化。在恒定電源的激勵下,應變片組成的電橋會產生與加速度成比例的電壓輸出信號,以此指示加速度值。

優點:精度高,測量范圍廣,結構簡單,頻響特性好,易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。

缺點:對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱,需采取一定的補償措施;測量精度越高,越容易損壞。

壓阻式加速度傳感器

MEMS結構壓阻式加速度傳感器 原理:基于半導體材料(單晶硅)的壓阻效應原理制成的傳感器,整個傳感器的核心部件(質量塊、懸臂梁和支架)由一個單晶硅蝕刻而成,直接在硅懸臂梁的根部擴散出電阻并形成惠斯通電橋。

優點:輸出阻抗低、輸出電平高、內在噪聲低、對電磁和靜電干擾的敏感度低、易于進行信號調理;在承受大沖擊加速度作用時零漂很??;工作頻帶寬。

缺點:靈敏度低、溫度效應嚴重。

應用領域:集成在各種模擬和數字電路中,廣泛應用于振動和沖擊的測量、顫振研究等領域,如汽車碰撞實驗、測試儀器、設備振動監測等。

電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器(變電容加速度傳感器) 原理:基于電容原理的極距變化型的電容傳感器,其中一個電極固定,另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發生位移,使電容量發生變化。這種傳感器可以測量氣流(液流)的振動速度(加速度),還可以進一步測出壓力。

MEMS變電容式加速度傳感器 原理:其整個敏感元件由粘在一起的三個單晶硅片構成。其中上、下硅片構成兩個固定電極,中間的硅片通過化學刻蝕形成由柔性薄膜支撐的具有剛性中心質量塊的形狀,薄膜的厚度取決于該加速度傳感器的量程。在薄膜上還有刻蝕出的小孔,當薄膜隨質量塊運動時,空氣流經小孔從而產生所需的阻尼力。通過其極距變化,產生的電流變化指示加速度值。

優點:有較好的低頻特性、靈敏度高、環境適應性好,受溫度的影響比較??;適用于運動及穩態加速度的測量、低頻低G值測量,且可耐受高G值沖擊。

缺點:信號的輸入與輸出呈非線性關系、輸出阻抗高,負載能力差、受電纜的電容影響較大。

應用領域:電梯的加速及減速測試、飛機的顫振試驗、飛行器的發射與飛行試驗,在某些領域無可替代,如安全氣囊,手機移動設備等。

電感式加速度傳感器

電感式加速度傳感器測量 原理:利用電磁感應原理,將傳感器質量塊在線圈中的運動轉換成線圈自感量或互感量的變化,進而由測量電路轉換為電壓或電流的變化量,指示加速度的變化。

優點:結構簡單,工作可靠,測量精度高,零點穩定,輸出功率較大。

缺點:靈敏度、線性度和測量范圍相互制約,傳感器分辨力與測量范圍有關,測量范圍大,分辨力低,反之則高;對激磁電源的頻率和幅度的穩定度要求較高;傳感器自身頻率響應低,不適用于快速動態測量。

伺服式加速度傳感器

伺服式加速度傳感器 原理:傳感器的振動系統由 "m-k”系統組成,與一般加速度計相同,但質量m上還接著一個電磁線圈,當基座上有 加速度輸入時,質量塊偏離平衡位置,該位移大小由位移傳感器檢測出來,經伺服放大器 放大后轉換為電流輸出,該電流流過電磁線圈,在永久磁鐵的磁場中產生電磁恢復力,力圖使質量塊保持在儀表殼體中原來的平衡位置上,所以伺服加速度傳感器在閉環狀態下工作。

優點:是一種閉環測試系統,具有動態性能好、動態范圍大和線性度好等特點;由于反饋作用,增強了抗干擾的能力,提高測量精度,擴大了測量范圍,伺服加速度測量技術廣泛地應用于慣性導航和慣性制導系統中,在高精度的振動測量和標定中也有應用。

缺點:成本高

技術指標

傳感器主要工作指標分為 有效響應 與 亂真響應 兩類。

有效響應 effective response:在傳感器靈敏軸方向上,由輸入的機械振動或沖擊所引起的傳感器的響應。這種響應是正確使用傳感器進行測量,取得可靠數據所期望的。

亂真響應 spurious response:在使用傳感器測量機械振動或沖擊時,由同時存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應。這種響應是干擾正確測量的,是不期望的。

有效響應主要技術指標有:靈敏度;幅頻響應和相頻響應;非線性度。

亂真響應主要技術指標有:溫度響應;瞬變溫度靈敏度;橫向靈敏度;旋轉運動靈敏度;基座應變靈敏度;磁靈敏度;安裝力矩靈敏度;對特殊環境的響應。

傳感器的選擇

主要集中在以下指標:1、傳感器種類;2、量程;3、靈敏度;4、頻響帶寬;5、重量。

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