加速度传感器

加速度传感器是一种能将加速度信息转换成电信号的传感器。 通常由质量块、阻尼、弹性体、敏感元件、调试器等构成。

原理:在传感器连同受测物加速过程中,对质量块所受到的惯性力进行测量,利用a=F/M(牛顿第二定律)计算加速度值。

分类(根据敏感元件):压电式加速度传感器、应变式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、电感式加速度传感器、伺服型加速度传感器。

压电式加速度传感器

压电式加速度传感器(压电加速度计)原理:利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应,当加速度计发生运动时,质量块加载在压电元件上的力会随之变化,压电陶瓷或石英晶体受压,产生电信号。这里的电信号与加速度成正比,指示加速度变化。注意:被测振动频率需远低于加速度计的固有频率。

优点:灵敏度高、信噪比高、动态范围大、频率范围宽、结构简单、安装方便、使用寿命长。

缺点:.谐振频率高,容易受到声音的干扰;输出阻抗高,输出信号弱,传感器输出信号需要经过放大电路放大后才能送检测电路检测。

应变式加速度传感器

应变式加速度传感器 原理:质量块固定在悬臂梁的一端,而悬臂梁的另一端固定在传感器基座上,悬臂梁的上下两个面都贴有应变片并组成惠斯通电桥,质量块和悬臂梁的周围填充硅油等阻尼液,用以产生必要的阻尼力。被测物运动导致传感器运动,其基座通过悬臂梁将运动传递给质量块。此惯性力作用在悬臂梁使之发生形变,引起其上的应变片电阻值变化。在恒定电源的激励下,应变片组成的电桥会产生与加速度成比例的电压输出信号,以此指示加速度值。

优点:精度高,测量范围广,结构简单,频响特性好,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

缺点:对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,需采取一定的补偿措施;测量精度越高,越容易损坏。

压阻式加速度传感器

MEMS结构压阻式加速度传感器 原理:基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器,整个传感器的核心部件(质量块、悬臂梁和支架)由一个单晶硅蚀刻而成,直接在硅悬臂梁的根部扩散出电阻并形成惠斯通电桥。

优点:输出阻抗低、输出电平高、内在噪声低、对电磁和静电干扰的敏感度低、易于进行信号调理;在承受大冲击加速度作用时零漂很小;工作频带宽。

缺点:灵敏度低、温度效应严重。

应用领域:集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于振动和冲击的测量、颤振研究等领域,如汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等。

电容式加速度传感器

电容式加速度传感器(变电容加速度传感器) 原理:基于电容原理的极距变化型的电容传感器,其中一个电极固定,另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移,使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(液流)的振动速度(加速度),还可以进一步测出压力。

MEMS变电容式加速度传感器 原理:其整个敏感元件由粘在一起的三个单晶硅片构成。其中上、下硅片构成两个固定电极,中间的硅片通过化学刻蚀形成由柔性薄膜支撑的具有刚性中心质量块的形状,薄膜的厚度取决于该加速度传感器的量程。在薄膜上还有刻蚀出的小孔,当薄膜随质量块运动时,空气流经小孔从而产生所需的阻尼力。通过其极距变化,产生的电流变化指示加速度值。

优点:有较好的低频特性、灵敏度高、环境适应性好,受温度的影响比较小;适用于运动及稳态加速度的测量、低频低G值测量,且可耐受高G值冲击。

缺点:信号的输入与输出呈非线性关系、输出阻抗高,负载能力差、受电缆的电容影响较大。

应用领域:电梯的加速及减速测试、飞机的颤振试验、飞行器的发射与飞行试验,在某些领域无可替代,如安全气囊,手机移动设备等。

电感式加速度传感器

电感式加速度传感器测量 原理:利用电磁感应原理,将传感器质量块在线圈中的运动转换成线圈自感量或互感量的变化,进而由测量电路转换为电压或电流的变化量,指示加速度的变化。

优点:结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大。

缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器分辨力与测量范围有关,测量范围大,分辨力低,反之则高;对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高;传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。

伺服式加速度传感器

伺服式加速度传感器 原理:传感器的振动系统由 "m-k”系统组成,与一般加速度计相同,但质量m上还接着一个电磁线圈,当基座上有 加速度输入时,质量块偏离平衡位置,该位移大小由位移传感器检测出来,经伺服放大器 放大后转换为电流输出,该电流流过电磁线圈,在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力,力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上,所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。

优点:是一种闭环测试系统,具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点;由于反馈作用,增强了抗干扰的能力,提高测量精度,扩大了测量范围,伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中,在高精度的振动测量和标定中也有应用。

缺点:成本高

技术指标

传感器主要工作指标分为 有效响应 与 乱真响应 两类。

有效响应 effective response:在传感器灵敏轴方向上,由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。这种响应是正确使用传感器进行测量,取得可靠数据所期望的。

乱真响应 spurious response:在使用传感器测量机械振动或冲击时,由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。这种响应是干扰正确测量的,是不期望的。

有效响应主要技术指标有:灵敏度;幅频响应和相频响应;非线性度。

乱真响应主要技术指标有:温度响应;瞬变温度灵敏度;横向灵敏度;旋转运动灵敏度;基座应变灵敏度;磁灵敏度;安装力矩灵敏度;对特殊环境的响应。

传感器的选择

主要集中在以下指标:1、传感器种类;2、量程;3、灵敏度;4、频响带宽;5、重量。

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