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(zhì)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(guò)程中,對質(zhì)量塊所受到的慣性力進(jìn)行測量,利用a=F/M(牛頓第二定律)計算加速度值。
分類(lèi)(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(fā)生運動(dòng)時(shí),質(zhì)量塊加載在壓電元件上的力會(huì )隨之變化,壓電陶瓷或石英晶體受壓,產(chǎn)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(dòng)頻率需遠低于加速度計的固有頻率。
優(yōu)點(diǎn):靈敏度高、信噪比高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、結構簡(jiǎn)單、安裝方便、使用壽命長(cháng)。
缺點(diǎn):.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(jīng)過(guò)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(zhì)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(gè)面都貼有應變片并組成惠斯通電橋,質(zhì)量塊和懸臂梁的周?chē)畛涔栌偷茸枘嵋?,用以產(chǎn)生必要的阻尼力。被測物運動(dòng)導致傳感器運動(dòng),其基座通過(guò)懸臂梁將運動(dòng)傳遞給質(zhì)量塊。此慣性力作用在懸臂梁使之發(fā)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(huì )產(chǎn)生與加速度成比例的電壓輸出信號,以此指示加速度值。
優(yōu)點(diǎn):精度高,測量范圍廣,結構簡(jiǎn)單,頻響特性好,易于實(shí)現小型化、整體化和品種多樣化等。
缺點(diǎn):對于大應變有較大的非線(xiàn)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(gè)傳感器的核心部件(質(zhì)量塊、懸臂梁和支架)由一個(gè)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(yōu)點(diǎn):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(jìn)行信號調理;在承受大沖擊加速度作用時(shí)零漂很??;工作頻帶寬。
缺點(diǎn):靈敏度低、溫度效應嚴重。
應用領(lǐng)域:集成在各種模擬和數字電路中,廣泛應用于振動(dòng)和沖擊的測量、顫振研究等領(lǐng)域,如汽車(chē)碰撞實(shí)驗、測試儀器、設備振動(dòng)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(gè)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(fā)生位移,使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(液流)的振動(dòng)速度(加速度),還可以進(jìn)一步測出壓力。
MEMS變電容式加速度傳感器 原理:其整個(gè)敏感元件由粘在一起的三個(gè)單晶硅片構成。其中上、下硅片構成兩個(gè)固定電極,中間的硅片通過(guò)化學(xué)刻蝕形成由柔性薄膜支撐的具有剛性中心質(zhì)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(zhì)量塊運動(dòng)時(shí),空氣流經(jīng)小孔從而產(chǎn)生所需的阻尼力。通過(guò)其極距變化,產(chǎn)生的電流變化指示加速度值。
優(yōu)點(diǎn):有較好的低頻特性、靈敏度高、環(huán)境適應性好,受溫度的影響比較??;適用于運動(dòng)及穩態(tài)加速度的測量、低頻低G值測量,且可耐受高G值沖擊。
缺點(diǎn):信號的輸入與輸出呈非線(xiàn)性關(guān)系、輸出阻抗高,負載能力差、受電纜的電容影響較大。
應用領(lǐng)域:電梯的加速及減速測試、飛機的顫振試驗、飛行器的發(fā)射與飛行試驗,在某些領(lǐng)域無(wú)可替代,如安全氣囊,手機移動(dòng)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(zhì)量塊在線(xiàn)圈中的運動(dòng)轉換成線(xiàn)圈自感量或互感量的變化,進(jìn)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(yōu)點(diǎn):結構簡(jiǎn)單,工作可靠,測量精度高,零點(diǎn)穩定,輸出功率較大。
缺點(diǎn):靈敏度、線(xiàn)性度和測量范圍相互制約,傳感器分辨力與測量范圍有關(guān),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(dòng)態(tài)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(dòng)系統由 "m-k”系統組成,與一般加速度計相同,但質(zhì)量m上還接著(zhù)一個(gè)電磁線(xiàn)圈,當基座上有 加速度輸入時(shí),質(zhì)量塊偏離平衡位置,該位移大小由位移傳感器檢測出來(lái),經(jīng)伺服放大器 放大后轉換為電流輸出,該電流流過(guò)電磁線(xiàn)圈,在永久磁鐵的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁恢復力,力圖使質(zhì)量塊保持在儀表殼體中原來(lái)的平衡位置上,所以伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。
優(yōu)點(diǎn):是一種閉環(huán)測試系統,具有動(dòng)態(tài)性能好、動(dòng)態(tài)范圍大和線(xiàn)性度好等特點(diǎn);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(shù)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(dòng)測量和標定中也有應用。
缺點(diǎn):成本高
技術(shù)指標
傳感器主要工作指標分為 有效響應