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常用的振動加速度傳感器是壓電式加速度計。這種類型的傳感器具有非常廣泛的動態測量范圍。還有很多其他類型的加速度計被用于測量很低頻率的加速度,例如汽車的制動,提升機的運行狀態,甚至于地球產生的重力加速度。這些測量項目主要依靠壓阻、電容和伺服技術。
壓電式加速度傳感器
壓電式加速度計堅固耐用,結構緊湊,頻率響應范圍寬,適用于監測滾動軸承等很高頻率的振動。壓電式加速度傳感器是慣性式傳感器,采取在機器外殼安裝的結構。
壓電傳感器這些固有特性是因為使用壓電材料作為敏感元件。傳感器的震蕩質量塊在加速度作用下產生慣性力,這個力對具有一定剛度的壓電元件產生壓電效應。在低于震蕩質量固有頻率的一個頻率范圍內,傳感器輸出的電量與加速度成正比。壓電加速度計的典型頻率響應如下圖所示。
壓電效應與壓電材料
某些材料受到一定方向的外力F而發生變形時,在一定表面上產生電荷q,當外力撤銷后,恢復到不帶電狀態,這種現象稱為壓電效應。相反,如果這些材料在極化方向被外電場作用,就會在一定方向產生機械變形或應力,如果撤除外電場,這些變形或應力也隨之消失,這種現象稱為逆壓電效應,即電致伸縮效應。壓電敏感元件是由壓電材料表面鍍金屬膜構成的,其等效電路為電容器,如下圖所示。
如果從晶體中切下一個平行六面體,并使其晶面分別平行于z、y和z軸。這個晶片在自然狀態下不顯電性,受外力作用時,將沿x軸方向形成電場,其電荷分布于垂直于z軸的平面。沿z軸方向加力F、產生縱向壓電效應,沿 y軸加力F,產生橫向壓電效應,沿相對兩平面加力產生切向壓電效應,如下圖所示。
根據傳感器的工作模式,壓電加速度計可以分為兩種主要類型∶內置電子儀器壓電型,即 IEPE(Internal electronic piezoelectric,內置電子儀器的壓電型)型,包含內置微電子信號調理器;而電荷型加速度計只有自源式的壓電敏感元件。
電阻/壓阻式加速度傳感器
電阻式加速度計使用應變計作為敏感元件。當底座被加速時,通過懸臂梁傳送的力使質量塊產生加速度。用應變計測量梁的撓曲,為取靈敏度,通常采用壓阻式應變計,并且由四個應變計組成惠斯登電橋。在殼體內灌注阻尼流體,作為振蕩阻尼。這種加速度計的測量范圍達到士1000g。然而,它的固有頻率一般較低,使用頻率的上限僅為幾百赫茲。雖然某些產品的頻率上限可達1~2kHz,但是比壓電傳感器的頻率上限低很多。應變計加速度計的價格比壓電加速度計便宜很多。
現代壓阻加速度計采用 MEMS(Micro-electro- mechanical Systems,微型機電系統)技術制造。在這種加速度計中,應變計被直接擴散到撓曲元件上,因此半導體硅既是撓曲原件又是傳感元件。因為撓曲原件的剛度大,所以頻率范圍廣。同時具有尺寸小,靈敏度高(壓阻應變計的靈敏系數是金屬應變計的 25~50 倍),信噪比大,線性和穩定性好的特點。如果進行適當的溫度補償,工作溫度為一20~120℃。
電容式加速度傳感器
MEMS電容式加速度計的敏感元件用靜電鍵合工藝構成平板電容器,具有頻響范圍寬,低頻直至零頻,性能穩定,結構堅固,使用方便的特點。內置電子電路,提供高電平、低阻抗輸出。雖然設計的加速度測量值較低,但是能夠承受很大的加速度沖擊。適用于彈道監視、結構評估、顫振試驗,汽車懸架和制動器試驗等應用。
伺服式加速度傳感器
伺服式加速度計即力平衡式加速度計,其工作原理如下圖所示。
在這種裝置中,加速度引起擺塊的輕微移動。該移動被位置敏感元件測量,并且通過反饋網絡產生驅動扭矩馬達的電壓,使得擺塊向回移動,接近它的初始位置。所需的扭矩與加速度成正比,所以用于驅動扭矩馬達的電壓就是加速度的度量。伺服加速度計非常精準,大量地應用于飛機導航系統和衛星控制系統。它的線加速度測量范圍可達到 50g,并且還可以測量角加速度。由于其固有頻率低,通常低于200Hz,所以主要用于靜態和低頻的測量。
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