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(壓電加速度計)原理:利(li)用(yong)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)或(huo)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)的(de)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying),當(dang)加(jia)速(su)度(du)計(ji)發(fa)生(sheng)運(yun)動(dong)時(shi),質(zhi)量(liang)塊(kuai)加(jia)載(zai)在(zai)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)上(shang)的(de)力(li)會(hui)隨(sui)之(zhi)變(bian)化(hua),壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)或(huo)石(shi)英(ying)晶(jing)體(ti)受(shou)壓(ya),產(chan)生(sheng)電(dian)信(xin)號(hao)。這(zhe)裏(li)的(de)電(dian)信(xin)號(hao)與(yu)加(jia)速(su)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi),指(zhi)示(shi)加(jia)速(su)度(du)變(bian)化(hua)。注(zhu)意(yi):被測振動頻率需遠低於加速度計的固有頻率。
優點:靈敏度高、信噪比高、動態範圍大、頻率範圍寬、結構簡單、安裝方便、使用壽命長。
缺點:.諧振頻率高,容易受到聲音的幹擾;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後才能送檢測電路檢測。
壓電式剪切型IEPE加速度計剖麵圖 - 型號CTC AC102-1A
電容式加速度傳感器(變電容加速度傳感器) 原理:基於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矽片構成。其中上、下xia矽gui片pian構gou成cheng兩liang個ge固gu定ding電dian極ji,中zhong間jian的de矽gui片pian通tong過guo化hua學xue刻ke蝕shi形xing成cheng由you柔rou性xing薄bo膜mo支zhi撐cheng的de具ju有you剛gang性xing中zhong心xin質zhi量liang塊kuai的de形xing狀zhuang,薄bo膜mo的de厚hou度du取qu決jue於yu該gai加jia速su度du傳chuan感gan器qi的de量liang程cheng。在zai薄bo膜mo上shang還hai有you刻ke蝕shi出chu的de小xiao孔kong,當dang薄bo膜mo隨sui質zhi量liang塊kuai運yun動dong時shi,空kong氣qi流liu經jing小xiao孔kong從cong而er產chan生sheng所suo需xu的de阻zu尼ni力li。通tong過guo其qi極ji距ju變bian化hua,產chan生sheng的de電dian流liu變bian化hua指zhi示shi加jia速su度du值zhi。
優點:有較好的低頻特性、靈敏度高、環境適應性好,受溫度的影響比較小;適用於運動及穩態加速度的測量、低頻低G值測量,且可耐受高G值衝擊。
缺點:信號的輸入與輸出呈非線性關係、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。
應變式加速度傳感器 原理:質(zhi)量(liang)塊(kuai)固(gu)定(ding)在(zai)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)一(yi)端(duan),而(er)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)另(ling)一(yi)端(duan)固(gu)定(ding)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)基(ji)座(zuo)上(shang),懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)上(shang)下(xia)兩(liang)個(ge)麵(mian)都(dou)貼(tie)有(you)應(ying)變(bian)片(pian)並(bing)組(zu)成(cheng)惠(hui)斯(si)通(tong)電(dian)橋(qiao),質(zhi)量(liang)塊(kuai)和(he)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)的(de)周(zhou)圍(wei)填(tian)充(chong)矽(gui)油(you)等(deng)阻(zu)尼(ni)液(ye),用(yong)以(yi)產(chan)生(sheng)必(bi)要(yao)的(de)阻(zu)尼(ni)力(li)。被(bei)測(ce)物(wu)運(yun)動(dong)導(dao)致(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)運(yun)動(dong),其(qi)基(ji)座(zuo)通(tong)過(guo)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)將(jiang)運(yun)動(dong)傳(chuan)遞(di)給(gei)質(zhi)量(liang)塊(kuai)。此(ci)慣(guan)性(xing)力(li)作(zuo)用(yong)在(zai)懸(xuan)臂(bi)梁(liang)使(shi)之(zhi)發(fa)生(sheng)形(xing)變(bian),引(yin)起(qi)其(qi)上(shang)的(de)應(ying)變(bian)片(pian)電(dian)阻(zu)值(zhi)變(bian)化(hua)。在(zai)恒(heng)定(ding)電(dian)源(yuan)的(de)激(ji)勵(li)下(xia),應(ying)變(bian)片(pian)組(zu)成(cheng)的(de)電(dian)橋(qiao)會(hui)產(chan)生(sheng)與(yu)加(jia)速(su)度(du)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao),以(yi)此(ci)指(zhi)示(shi)加(jia)速(su)度(du)值(zhi)。
優點:精度高,測量範圍廣,結構簡單,頻響特性好,易於實現小型化、整體化和品種多樣化等。
缺點:對於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。
MEMS結構壓阻式加速度傳感器 原理:基於半導體材料(單晶矽)的壓阻效應原理製成的傳感器,整個傳感器的核心部件(質量塊、懸臂梁和支架)由一個單晶矽蝕刻而成,直接在矽懸臂梁的根部擴散出電阻並形成惠斯通電橋。
優點:輸出阻抗低、輸出電平高、內在噪聲低、對電磁和靜電幹擾的敏感度低、易於進行信號調理;在承受大衝擊加速度作用時零漂很小;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,廣泛應用於振動和衝擊的測量、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。
電感式加速度傳感器測量 原理:利(li)用(yong)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)原(yuan)理(li),將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)質(zhi)量(liang)塊(kuai)在(zai)線(xian)圈(quan)中(zhong)的(de)運(yun)動(dong)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)線(xian)圈(quan)自(zi)感(gan)量(liang)或(huo)互(hu)感(gan)量(liang)的(de)變(bian)化(hua),進(jin)而(er)由(you)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua)量(liang),指(zhi)示(shi)加(jia)速(su)度(du)的(de)變(bian)化(hua)。
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、線性度和測量範圍相互製約,傳感器分辨力與測量範圍有關,測量範圍大,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,不適用於快速動態測量。
伺服式加速度傳感器 原理:傳感器的振動係統由 "m-k”係統組成,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(fang)大(da)後(hou)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu),該(gai)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)電(dian)磁(ci)線(xian)圈(quan),在(zai)永(yong)久(jiu)磁(ci)鐵(tie)的(de)磁(ci)場(chang)中(zhong)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)恢(hui)複(fu)力(li),力(li)圖(tu)使(shi)質(zhi)量(liang)塊(kuai)保(bao)持(chi)在(zai)儀(yi)表(biao)殼(ke)體(ti)中(zhong)原(yuan)來(lai)的(de)平(ping)衡(heng)位(wei)置(zhi)上(shang),所(suo)以(yi)伺(si)服(fu)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)閉(bi)環(huan)狀(zhuang)態(tai)下(xia)工(gong)作(zuo)。
優點:是一種閉環測試係統,具有動態性能好、動態範圍大和線性度好等特點;由(you)於(yu)反(fan)饋(kui)作(zuo)用(yong),增(zeng)強(qiang)了(le)抗(kang)幹(gan)擾(rao)的(de)能(neng)力(li),提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)精(jing)度(du),擴(kuo)大(da)了(le)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei),伺(si)服(fu)加(jia)速(su)度(du)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)廣(guang)泛(fan)地(di)應(ying)用(yong)於(yu)慣(guan)性(xing)導(dao)航(hang)和(he)慣(guan)性(xing)製(zhi)導(dao)係(xi)統(tong)中(zhong),在(zai)高(gao)精(jing)度(du)的(de)振(zhen)動(dong)測(ce)量(liang)和(he)標(biao)定(ding)中(zhong)也(ye)有(you)應(ying)用(yong)。
缺點:成本高
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:zaichuanganqilingminzhoufangxiangshang,youshurudejixiezhendonghuochongjisuoyinqidechuanganqidexiangying。zhezhongxiangyingshizhengqueshiyongchuanganqijinxingceliang,qudekekaoshujusuoqiwangde。
亂真響應 spurious response:在使用傳感器測量機械振動或衝擊時,由同時存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應。這種響應是幹擾正確測量的,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。
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。