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加速度传感器班级： 学号： 姓名： 摘要：近年来传感器得到了较大的发展，经过学习可知，测量加速度的传感器有很多种，比如，动圈式振动加速度传感器，电位器式加速度传感器，应变式加速度传感器，压电式加速度传感器，电容式加速度传感器等。本文分别介绍压电式加速度传感器和动圈式振动速度传感器，重点阐述了压电式加速度传感器的原理及其构成元件，分析了其频率特性和灵敏度，探究了其误差形成因素，概述了其在工程控制领域中的实际应用。简约的将其与动圈式加速度传感器作对比。一、压电式加速度传感器1、压电式加速度传感器构成元件及其工作原理压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。是将加速度信号转变成电信号的装置。 常用的压电式加速度计的结构形式如图五所示。S是硬弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电晶片，R是夹持环。硬弹簧的作用是对质量块加载，产生预压力，以保证在作用力变化时，晶片始终受到压缩。质量块一般由比重比较大的材料（如钨或者重合金）制成，整个组件都装在基座上，为了防止被测件的任何应变传到晶片上而产生假信号，基座一般都要求做的较厚。图一（a）是中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有很高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图一（b）为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制图一(c)为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。(a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c)三角剪切型图一 压电式加速度计当传感器基座随被测物体一起运动时，由于弹簧刚度很大，相对而言质量块的质量m很小，即惯性很小，因而可认为质量块感受与被测物体相同的加速度，并产生与加速度成正比的惯性力Fa。惯性力作用在压电晶片上，就产生与加速度成正比的电荷Q或电压Ua,这样通过电荷量或电压来测量加速度a。2、压电式加速度传感器幅频特性和灵敏度图二 压电式加速度计的幅频特性曲线伯德图加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图二）。一般小阻尼(z0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。为了提高灵敏度，一般都采用把两片晶片重叠放置并按串联（对应于电压放大器）或者并联（对应于电荷放大器）方式连接。压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。对于常用的压电陶瓷加速度传感器，其电荷灵敏度KQ和电压灵敏度KU分别为：； （式中d33为压电陶瓷的压电常数）3、压电式加速度传感器误差形成因素分析压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内，压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位 移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.11Hz左右。二、动圈式振动加速度传感器（电动式加速度传感器）动圈式振动加速度传感器是一种磁电感应式传感器。磁电感应式传感器是基于电磁感应原理的一种传感器，是利用磁电作用将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要激励电源（永磁铁产生磁场）， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器的外壳随之振动。此时线圈，阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动。因此他们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电势由测振仪直接放大，可测量速度，经过积分或者微分网络便可测量位移或加速度。若在测量电路中接入积分电路，则输出电势与位移成正比；若在测量电路中接入微分电路，则其输出与加速度成正比。如下图三：图三 动圈式振动加速度传感器的测量电路方框图图四是动圈式振动速度传感器的结构示意图。其结构主要特点是，钢制圆形外壳，里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体，永久磁铁中间有一小孔，穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环，芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。工作时，传感器与被测物体刚性连接，当物体振动时，传感器外壳和永久磁铁随之振动，而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而，磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势，线圈的输出通过引线输出到测量电路。图四 动圈式振动加速度传感器的结构图其工作原理就是电磁感应定律，当穿过线圈的磁通量随时间变化的时候，在线圈两端将产生与磁通量减少速率成正比的电压U，可表示为：如果线圈沿着与磁场垂直的方向运动，在线圈中便可产生与线圈速度或者加速度成正比的感应电压，通过测量电路测得其电压大小，便可得出速度或者加速度的大小。图五 动圈式振动加速度传感器幅频特性曲线图六 动圈式振动加速度传感器频率特性曲线由图五、图六可知，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度（e/v）是随振动频率而变化；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。不同结构的恒定磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。三、加速度传感器的实际应用在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。而这些产品中由于要求对温度的干扰有很大的免疫力，其中采用的都是压电式加速度传感器。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面，灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到的重要因素之一。概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。四、两者之间的对比、选择及其改进由上可知两者设计原理中都需要接入一个放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器，都具有具有结构简单的特点，温度对其都具有很大的影响。压电式加速度传感器无源传感器，动圈式振动加速度是有源传感器；前者是接触式传感器，后者是非接触式传感器。即压电加速度计需要必要的物理接触，通过感知力的大小而转化成对应的速度显示出来的，而动圈式振动加速度传感器不需要物理接触，通过磁电感应原理来测量速度的。因此对于不可直接接触的加速度测量，我们可以考虑采用动圈式振动加速度传感器。又由其结构特点及其频率特性曲线可以得知压电式加速度有重量轻，体积小，输出量大及超低频特性，频带宽（由零点几Hz到数十kHz），测量范围宽（由10-6103g）的特点，由于其又是接触式传感器且中心式结构中有弹簧系统，故要减少其误差、提高其精度的方法可以采取图一（c）三角剪结构（使用温度可达400700），此结构还可以对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。动圈式振动加速度传感器，性能稳定，可靠性高，输出功率大的特点，具有一定的工作带宽（10n1000 Hz）。由于其工作是利用磁场的原因，除了温度外，还易受外界或者本身磁场影响。另外，还有噪音等外界的环境影响对其干扰也很大。因此其使用场所受到很大的限制。因此外界干扰较大的时候我们可以考虑采用压电式加速度传感器。而且压电式加速度传感器价格比较昂贵，所以一些定性简单试验中我们可以考虑动圈式振动加速度传感器。从两者的幅频特性曲线我们可以的得知：压电式传感器线性度好，有很好的高频响应特性，信号在1000Hz时才开始下降，而后者的信号在100Hz就开始大幅度下降，150Hz时信号基本淹没于噪声中。 压电式加速度传感器在1000Hz内的通频带内平坦、线信度好，能真实地反应振动信号的大小；而动圈式振动加速度传感器的带宽不足100Hz，且通频带极不平坦，线信度不好，放大后，反映的是畸变的振动信号。动圈式振动加速度传感器已无法采集1000Hz以上的振动信号。由于压电式加速度传感器的工作宽带比动圈式振动加速度传感器的工作宽带要宽而且波动小的多，所以前者的信号采集特性明显要优于后者，即压电式传感器采集到的振动信号比动圈式采集到的振动信号内容丰富，后者有明显的信号丢失，而前者的信号幅度在环境等同条件下明显增强。因此在需要比较精密的测量的场所我们可以考虑压电式加速度传感器。由于电动式加速度传感器有很大的局限性，所以我们可以往其他方向发展，例如压阻式加速度传感器，以及电容式加速度传感器等等。而压电式加速度传感器除了选择三角剪结构，另外我们还可以根据不同的测量灵敏度电压或电荷灵敏度，来选择晶片的连接方式。另外我们还