加速度传感器

1、 摘要：近年来传感器得到了较大的发展，经过学习可知，测童加速度的传感器有很多种，比 如，动團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 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 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 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 类传感器称为为压压电式加速度传感器又称圧电

2、加速度汁。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如 石 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 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 成电信号的装苣。 （a）是中央安装压缩型，压电元件一质量块一弹簧系统装在圆形中心支柱 上，支柱与基座连接。这种结构有很髙的共振频率。然而基座 B 与测试对象连接时，如果基 座 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、率的加速度讣，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 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

3、件由夹持环 将英夹牢在三 化有极好的隔离作用，有较髙的共振频率和良好的线性。 物体一起运动时，由于禅簧刚度很大，相对而言质量块 生与加速度成正比的 惯性力 上，就产生与加速 度成正比 过电荷量或电压来测量加速度 a。1压 世式丽速度传感器幅频特性和灵敏度1 /Hz 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 加速度传感器 2 检测技术与仪表 率与加速度计的固立状况有关，加速度计出厂时给岀的幅频曲线是在刚性连接的固定 到的。实际使用的固左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 情况下得都会有所下 速度之比：后者是加

4、速度讣输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为 ia/s2,但在 振动测量中 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 或者并联（对应于电荷放大器）方式连接。质量的影响和频率响应特性 压电晶体加速度讣的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度讣轴线）振动的敏感程度 , 横 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 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 弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测戢电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲加速度讣所用的前置放大器应具有极高的输入阻

5、抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的 元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。加速度传感器 3 检测技术与仪表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 噪比很低；期外电荷的泄漏，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 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）转换成电信号的一原器。它不需要激励电源（永磁铁产生磁场），就能把彼测对象的机械量转换成易于 测量的电信 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，位于磁路的线圈

6、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虽位移或加速度。若在测量电路中 图四是动圈式振动速度传感器的结构示意图 *苴结构主要特点是，钢制圆形外壳，里而 用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固立成一体，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，传感器与被加速度传感器 4 检测技术与仪表 阻尼环因 戋而产生正比于振动速度 J阻尼杆 8- 引线其工作原理就是电磁感应宦律，当穿过线产生与磁通量减少速率成正比的电压 c,可 W 频率/Hz WO 00图五 动圈式振

7、动加速度传感器幅频持性曲线 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（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化，而近似为常数：当振动频率更髙时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加降。不同结构的恒立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而，如手提电脑的硬盘抗摔保护，目前最新 加速度传感器 检测技术与仪表ThinkPad 手提电脑里就内巻了加速度传感器，能够动态的监测岀笔记本在使用中的振 据这些振动数拥，

8、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，最大程动，并根 度的保护由度的保护里而的数据。列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 候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。而这些产品中由扰有很大的免疫力，苴中采用的都是压电式加速度传感器。压电加速度传 全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方而，灵敏度是压电加 于要求对温度的干 感器还应用于汽车安速度传感器应用时候要 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、 动测试与分析：鼠标，髙层建筑结构动态特性

9、和安全保卫振动侦察上。由上可知两者设讣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 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。即度汁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，而压电加速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。又由其结构特点及英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 ）， 又是接触式传感器且中心式结构中有弹簧系统，故

10、要减少其误差、提髙其精度的方法 温度变化有极 高，输岀功率大的特点，具有一泄的工作带宽（ 很大。因此其使用场所受到很大的限制。因此外界干扰较大 速度传感器。而且压电式加速度传感器价格比较昂贵，所 的时候我们可以考虑采用压电式加 以一些泄性简单试验中我们可以考虑 加速度传感器 6 检测技术与仪表没于噪声中。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者的信号幅度在环境等同条件下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