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加速度传感器原理

加速度传感器原理

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同,常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

 

加速度传感器工作原理

线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)。只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F对应于电流的关系。

 

加速度传感器组成框图

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是"对于不存在对称ZX的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应"。

 

压电加速度传感器原理

压电式加速度传感器又称为压电加速度计,它也属于惯性式传感器。它是典型的有源传感器。利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应,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。压电敏感元件是力敏元件,在外力作用下,压电敏感元件的表面上产生电荷,从而实现非电量电测量的目的。

实际测量时,将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得出物体的加速度。

压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料,换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷;当外力去掉后,又重新恢复不带电的状态;当作用力的方向改变时,电荷的极性也随着改变。其中弹性体是传感器的核心,其结构决定着传感器的各种性能和测量精度,弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。

 

加速度传感器关键参数

为了正确地选用加速度传感器,获得有用的加速度数据,全面的了解加速度传感器的是非常必要的。

灵敏度

加速度传感器的灵敏度是指其输出信号量(电压/电荷)与输入信号量(加速度)的比值。灵敏度越高,则信噪比就越大,静电干扰和电磁干扰噪声也就越小。但是,在其它条件相同的前提下,想要得到较高的灵敏度,需要较大的质量快,这随之带来了两个缺点:加速度传感器质量变大和共振频率变低。

质量

加速度传感器在使用时通常是通过螺钉连接或胶黏的方法固定在被测物表面的,如果果加速度传感器的动态质量接近被测物的动态质量,则这部分质量将会影响到被测物的运动状态,从而得到有一定程度失真的测量结果。因此,当被测物较为轻薄时(电路板、壳体等),尤其应当注意选用质量小的加速度传感器。

谐振频率

加速度传感器本身是一个弹簧-质量-阻尼系统,因此必然有一个谐振频率,如果被测物的振动频率正好接近这个谐振频率,加速度传感器的灵敏度会急剧增加,这时输出的值是没有意义的。一般来说,加速度传感器都工作在其谐振频率的1/5或1/3的频段内。

频率响应

加速度传感器的频率响应通常是指其幅频响应。理想的加速度传感器的频率响应当然是从0Hz至+∞Hz都保持相同的灵敏度,但实际上并不存在这要的传感器。加速度传感器按照其工作原理不同,有些在高频段表现出色,可以达到几十kHz,有些则是低频响应较好,并可以提供直流响应。

横向灵敏度

在理想情况下,若被测物存在垂直于加速度传感器测量轴的方向的振动,输出的测量信号应该是为零的。但实际上,由于材料特性及制造误差等原因,可能会有高达5%的输出信号。这是一种串扰输出,因此横向灵敏度也被称为“串扰灵敏度”。

温度灵敏度

加速度传感器是一种电子产品,它的输出特性不可避免的会受到温度的影响,一般说来,温度越高,测量误差就越大,但可进行温度补偿。不同类型的加速度传感器的适用温度范围差别很大,如PE传感器可以耐受到700℃,而IEPE传感器由于内置了处理电路,一般只能耐受到175℃。

瞬变温度灵敏度

加速度传感器随着温度的瞬变将会产生输出,该输出的Z大值与传感器灵敏度和温度改变量乘积的比值称为瞬变温度灵敏度。这种瞬变温度所引入的误差主要出现在压电式加速度传感器中,由热释电效应引起。大多数情况下这种效应是很低频的,且不易被发现。

2017-02-21  浏览次数:727
本文来源:https://www.yiqi.com/citiao/detail_397.html
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