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                  技術文章

                  壓電式加速度傳感器的原理與結構

                  加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是個常量。加速度計有兩種:一種是角加速度計,是由陀螺儀(角速度傳感器)改進的。另一種就是線加速度計。

                    加速度傳感器,包括由硅膜片、上蓋、下蓋,膜片處于上蓋、下蓋之間,鍵合在一起;一維或二維納米材料、金電極和引線分布在膜片上,并采用壓焊工藝引出導線;工業現場測振傳感器,主要是壓電式加速度傳感器。其工作原理主要利于壓電敏感元件的壓電效應得到與振動或者壓力成正比的電荷量或者電壓量。目前工業現場典型采用IEPE型加速度傳感器,及內置IC電路壓電加速度傳感器,傳感器輸出與振動量正正比的電壓信號。

                    

                    加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力也就是當物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度傳感器有兩種:一種是角加速度傳感器,是由陀螺儀改進過來的。另一種就是加速度傳感器。它也可以按測量軸分為單軸、雙軸和三軸加速度傳感器?,F在,加速度傳感器廣泛應用于游戲控制、手柄振動和搖晃、汽車制動啟動檢測、地震檢測、工程測振、地質勘探、振動測試與分析以及安全保衛振動偵察等多種領域。下面就舉例幾個例子,更好的認識加速度傳感器。游戲控制加速度傳感器可以檢測上下左右的傾角的變化,因此通過前后傾斜手持設備來實現對游戲中物體的前后左右的方向控制,就變得很簡單。

                    加速度傳感器的技術指標

                    1、靈敏度方面的技術指標:對于一個儀器來說,一般都是靈敏度越高越好的,因為越靈敏,對周圍環境發生的加速度的變化就越容易感受到,加速度變化大,很自然地,輸出的電壓的變化相應地也變大,這樣測量就比較容易方便,而測量出來的數據也會比較精確的。

                    2、帶寬方面的技術指標:帶寬指的的是傳感器可以測量的有效的頻帶,比如,一個傳感器有上百HZ帶寬的就可以測量振動了;一個具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測量傾角了。

                    3、量程方面的技術指標:測量不一樣的事物的運動所需要的量程都是不一樣的,要根據實際情況來衡量。

                    

                    解析手機上的傳感器

                    加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是個常量,比如g,也可以是變量。因此其的范圍比重力感應器要大,但是一般在手機被提到的加速度感應器時,其實就是指重力感應器,因此兩者可以看做是等價的。

                    方向感應器

                    手機方向傳感器是指,安裝在手機上用以檢測手機本身處于何種方向狀態的部件,而不是通常理解的指南針的功能。

                    手機方向檢測功能可以檢測手機處于正豎、倒豎、左橫、右橫,仰、俯狀態。具有方向檢測功能的手機具有使用更方便、更具人性化的特點。例如,手機旋轉后,屏幕圖像可以自動跟著旋轉并切換長寬比例,文字或菜單也可以同時旋轉,使你閱讀方便;聽MP3時??赡軙腥苏f:這個跟那個重力感應器是一樣的?

                    這個兩者是不一樣的,方向感應器或者叫應用角速度傳感器比較合適,一般手機的上的方向感應器是感應水平面上的方位角、旋轉角和傾斜角的。這個如果你可能覺得有點理論的話,舉個例子吧。有方向感應器的能很好的VR游戲。而只有重力感應器也能玩,但是,結果很令人糾結。

                    為了得到高度真實的試驗數據,使用者應當全面地了解所用儀器的工作特性,這些特性是怎樣互相影響的,整個環境對這些特性是如何影響的,以及加速度計對被測運動是如何影響的。

                    加速度計是關鍵的測量元件,有多種設計型式供選用。每種設計型式都為某些特定用處設計的,目的是為獲得高保真的測量數據。

                    工程師們應認真地分析測量的要求,選用最合適的加速度計,通常要在靈敏度,重量和頻響范圍三者之間比較,做出最合適的選擇。

                    傳感器主要工作特性分為有效響應與亂真響應兩類。

                    ●有效響應effecTIve response

                    在傳感器靈敏軸方向上,由輸入的機械振動或沖擊所引起的傳感器的響應。這種響應是正確使用傳感器進行測量,取得可靠數據所期望的。

                    ●亂真響應spurious response

                    在使用傳感器測量機械振動或沖擊時,由同時存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應。這種響應是干擾正確測量的,是不期望的。(見國家標準GB/T 13823.1-93)

                    有效響應主要有:

                    靈敏度;幅頻響應和相頻響應;非線性度。

                    亂真響應主要有:

                    溫度響應;瞬變溫度靈敏度;橫向靈敏度;旋轉運動靈敏度;基座應變靈敏度;磁靈敏度;安裝力矩靈敏度;對特殊環境的響應。(見國家標準GB/T 13823.1-93)

                    ●靈敏度:(SensiTIvity)

                    輸出量與輸入量之比。

                    ●參考靈敏度:(Reference SensiTIvity)

                    在給定的參考頻率和參考幅值下傳感器的靈敏度值。

                    傳感器靈敏度越高,測量系統的信噪比就越大,系統就不易受靜電干擾或電磁場的影響。對某種具體的加速度計設計型式來說,靈敏度越高,則傳感器越重,共振頻率也越低。因此選用多大靈敏度受其重量和頻率響應的制約。

                    一般情況下,傳感器的靈敏度包括幅值與相位兩個信息,是隨頻率變化的復數量。

                    ●幅頻響應和相頻響應

                    在輸入的機械振動量值不變的情況下,傳感器輸出電量的幅值隨振動頻率的變化,稱為幅頻響應。而輸出電量的相位隨振動頻率的變化,稱為相頻響應。

                    在工作頻段內連續地改變振動頻率,且維持輸入的機械振動量幅值不變,同時觀測傳感器的輸出,便可測定幅頻響應。若同時測量傳感器輸出電量與輸入機械振動量間的相位差,則又可測定相頻響應。

                    一般情況下,只要求知道幅頻響應。在接近傳感器上、下限頻率處使用傳感器,或有要求時,則必須知道相頻響應。

                    ●非線性度

                    在給定的頻率和幅值范圍內,輸出量與輸入量成正比,稱為線性變化。實際傳感器的校準結果與線性變化偏離的程度,稱為該傳感器的非線性度。

                    在由最小值到最大值的傳感器動態范圍內,逐漸增大輸入的機械振動量,同時測量傳感器輸出幅值的變化,便可測定傳感器的輸出值與線性輸出值的偏差量。在使用正弦振動發生器進行測定時,可在傳感器的工作頻率范圍內選定幾個頻率進行,以覆蓋傳感器整個動態范圍。

                    一般在傳感器動態范圍的上限附近傳感器的輸出值與線性值的偏差量最大。所允許的偏差量取決于具體測量的要求。

                    對壓電加速度計,一般用在一定的加速度范圍內,其靈敏度增加的百分數來表示非線性度。壓阻式,變電容式加速度計在其動態范圍內線性度較好,它代表了非線性、滯后和非重復性的綜合值。

                    ●質量負載的影響

                    如果加速度計的動態質量接近被測結構物的動態質量,則會使振動產生明顯的衰減。為此在諸如印刷電路板等又薄又輕的片狀構件上測振時,為了得到準確的數據必須采用重量輕的加速度計。如果被測物件呈現單自由度的響應,則加速度計將使其共振頻率下降。在所有的模態試驗中必須使用微型加速度計。

                    ●低頻響應

                    使用壓電加速度計時,所用放大器低頻截止頻率多為2-5Hz,目的是以此來剔除許多壓電傳感器的熱釋電輸出。像隔離剪切式設計等隔離性好的設計型式可用在較低的頻率。壓阻式和變電容式加速度計則具有零頻響應。

                    ●高頻響應

                    加速度計的高頻響應隨加速度計的機械性能和安裝方法而變。在安裝牢固時,大多數加速度計呈現無阻尼單自由度系統的頻響特性。以±5%為要求的話,其頻率響應約平整到安裝共振頻率的五分之一。如果加適當的修正因數,則可在更高的頻率上得到有用的數據。

                    ●溫度響應

                    傳感器靈敏度隨溫度的變化,稱為傳感器的溫度響應。用測試溫度下的靈敏度與室溫下的靈敏度之差相對于室溫靈敏度的百分數來表示。

                    常用壓電加速度計的溫度范圍為零度以下至+177°C或+260°C。某些特定型號,低溫可達絕對零度,高溫可達760°C。很多種壓電加速度計設計型式在很寬的溫度范圍內的溫度響應很平。壓阻式、變電容式加速度計的典型溫度范圍為-18°C~+93°C。

                    ●壓電傳感器的瞬變溫度靈敏度

                    具有熱釋電效應的傳感器在瞬變溫度作用下將產生電輸出,該輸出的最大值與傳感器靈敏度和溫度改變量乘積的比值稱為瞬變溫度靈敏度。

                    在溫度產生變化時,壓電元件會產生輸出信號,這稱之為熱釋電效應。試件或氣流溫度的突變會引起這種溫度變化。大多數情況下這種效應是很低頻的,只有信號適調儀的響應在1赫以下,才能檢測到。如果信號適調儀有級間高通濾波器,則應特別注意,熱釋電信號可能會使放大器飽和,使它短時間不工作。

                    基座隔離式,剪切式,隔離剪切式設計的熱釋電效應較小。壓阻式,變電容式的這種效應是可以忽略的。

                    ●橫向靈敏度

                    對于單向測量來說,要求加速度計不得對被測物體的橫向運動產生任何響應是十分必要的。但加速度計總是有一定的橫向靈敏度,它與橫向振動的方向有關,其橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的1~5%。恩德??藢γ總€加速度計進行橫向靈敏度校準并給出其最大值。

                    ●橫向靈敏度比

                    在與傳感器靈敏軸垂直的方向上受到激勵時傳感器的靈敏度,稱為橫向靈敏度。橫向靈敏度與沿靈敏軸方向上的靈敏度之比,稱為橫向靈敏度比。

                    ●旋轉運動靈敏度

                    某些直線振動傳感器對旋轉運動是敏感的。在進行試驗時必須小心。以免造成測量誤差。

                    ●基座應變靈敏度

                    在傳感器基座產生應變時會引起不應有的信號輸出,該輸出值與傳感器靈敏度和應變值乘積的比值,稱為基座應變靈敏度。

                    在某些試驗中,加速度計安裝處可能會存在動態彎曲、扭轉、拉伸等。由于與應變區緊密接觸,加速度計底座也會發生應變。部分應變會傳給敏感元件,從而產生與振動運動無關的輸出信號。

                    剪切式設計的加速度計要比壓縮式的對基座應變的敏感程度小一個數量級。應用絕緣安裝螺釘或粘貼式轉接件可以減小這種影響。

                    ●磁靈敏度

                    傳感器被置于磁場中會產生的不應有的信號輸出,該輸出值與傳感器靈敏度和磁場的磁感應強度乘積的比值,稱為傳感器的磁靈敏度。

                    ●安裝力矩靈敏度

                    采用螺紋安裝的傳感器,安裝力矩的變化會引起靈敏度發生變化。施加1/2倍規定安裝力矩或施加2倍規定安裝力矩時的靈敏度與施加規定安裝力矩時的靈敏度之差值,相對于施加規定安裝力矩時靈敏度的比值的百分數,稱為安裝力矩靈敏度。

                    ●特殊環境的響應

                    在強靜電場、交變磁場、射頻場、聲場、電纜影響、核輻射等的特殊環境下,某些傳感器會受到嚴重的影響,這些物理因素將引起傳感器產生亂真響應。

                    

                    壓電式加速度傳感器的原理結構

                    壓電式加速度傳感器,又稱壓電加速度計。它是利用壓電材料的壓電效應工作的。 所謂壓電效應,是指某些電介質,當它在一定方向上受到機械外力作用而變形時,其內部就會發生電極化,從而導致電介質的兩相對表面上出現大小相等、符號相反的電荷。當外力方向改變時,電荷的極性也跟著改玖其電荷量的大小與外力成正比。當外力去掉后,電介質又恢復不帶電狀態,這種現象稱為正壓電效應。反過來,當在電介質的極化方向上外加電場時,它就會產生變形,這種現象稱為逆壓電效應。壓電加速度計是利用正壓電效應工作的。

                    具有壓電效應的電介質稱為壓電材料。在自然界中,具有壓電效應的物質很多,但大多數共效應很微弱,只有少數如石英晶體、壓電陶瓷等才有較強的壓電效應。

                    壓電加速度計的結構型犬有壓縮型、剪切型和彎曲型三種,圖11—5為壓縮型加速度計結構示意圖。其敏感元件是壓電晶體片4,晶體片上壓一個質量塊3,用一個剛度較大的彈簧2對這個質量塊施加一個預緊力,并將它們綻在一個帶有厚的基座6的金屬外殼1內。當加速度計安裝在被測扳動物體上而隨之板動時,質量塊就產生一個正比于振動加速度的力作用在壓電晶體片上,根據正壓電效應,在晶體片兩相對的表川上就產生交變的電材,共大小與作用力成正比,田質量塊的質量固定不變,所以晶體片上的電荷與扳動加速度成正比。

                    壓電加速度計只有體積小、質量輕、結構堅實、頻帶寬、靈敏度高、測量范圍寬等優點,因此應用最為廣泛。壓電加速度計的穩定性較好,在振動計量中,往往作為標準加速度計使用。

                    它主 要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整 個部件裝在外殼內,并由螺栓加以固定。質量塊一般由體 積質量較大的材料(如鎢或重合金)制成。預壓彈簧的作用 是對質量塊加載,產生預壓力,以保證在作用力變化時,晶 片始終受到壓縮。整個組件都裝在基座上。為了防止被測 件的任何應變傳到壓電晶片上而產生假信號,基座一般要 求做得較厚?;c被測物體剛性固定在一起。

                    當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時,壓電元件受質量塊慣性力的作用,所以,在 壓電元件的兩個表面上產生交變電壓或電荷。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時,傳感器 輸出的電壓或電荷與作用力成正比,從而可得知被測物體的加速度。

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