壓電式加速度傳感器
懸賞分：20|
急求壓電式加速度傳感器簡單應(yīng)用例子越簡單越好用于學生研究所必太專業(yè)臺深入要求五百文字材料左右實驗設(shè)計請發(fā)我郵箱zhubulao@126.com謝謝
多數(shù)加速度傳感器根據(jù)壓電效應(yīng)原理來工作
所謂壓電效應(yīng) "對于存對稱心異極晶體加晶體上外力除了使晶體發(fā)生形變外還改變晶體極化狀態(tài)晶體內(nèi)部建立電場種由于機械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng) "般加速度傳感器利用內(nèi)部由于加速度造成晶體變形特性由于變形會產(chǎn)生電壓只要計算出產(chǎn)生電壓和所施加加速度之間關(guān)系加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出當還有多其方法來制作加速度傳感器比壓阻技術(shù)電容效應(yīng)熱氣泡效應(yīng)光效應(yīng)其基本原理都由于加速度產(chǎn)生某介質(zhì)產(chǎn)生變形通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出
線加速度計原理慣性原理也力平衡A=F/M 我們只需要測量F了用電磁力去平衡力測得外力F得 F對應(yīng)于電流關(guān)系只需要用實驗去標定比例系數(shù)行了當間信號傳輸、放大、濾波要通過相應(yīng)電路來實現(xiàn)了
加速度傳感器幫助機器了解現(xiàn)身處環(huán)境水平走下坡還別情況現(xiàn)代生產(chǎn)生活被應(yīng)用于許許多多方面提電腦硬盤抗摔保護目前用數(shù)碼相機和攝像機里也有加速度傳感器用來檢測拍攝時候手部振動并根據(jù)些振動自動調(diào)節(jié)相機聚焦壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面
靈敏度壓電加速度傳感器應(yīng)用時候要考慮得重要因素之也傳感器正常工作時候輸入信號R于輸出信號C比值有成線性也有非線性例某位移傳感器位移變化1mm時輸出電壓變化200mV則其靈敏度應(yīng)表示200mV/mm靈敏度自越高實際上靈敏度越高測量范圍窄；相反靈敏度低點能獲得比較寬測量范圍所產(chǎn)品選擇傳感器時候要從需要出發(fā)味地使用高精度傳感器往往意味著更高成本
抗疲勞性也壓電加速度傳感器重要因素有些應(yīng)用需要持續(xù)長時間使用傳感器要求內(nèi)部部件能夠支持長時間監(jiān)測使用高強度、穩(wěn)定性好材料器件應(yīng)該能夠好解決問題
穩(wěn)定性些特殊場合運用傳感器時需要特定傳感器若般傳感器則會快毀損前老師課堂上說過運用于烤鴨考慮監(jiān)測溫度濕度傳感器要經(jīng)受住長期油膩、高溫、潮濕等相信壓電加速度也會有類似嚴峻工作環(huán)境要求了高穩(wěn)定性
通常情況下傳感器實際靜態(tài)特性輸出條曲線而非直線實際工作使儀表具有均勻刻度讀數(shù)常用條擬合直線近似地代表實際特性曲線、線性度（非線性誤差）近似程度性能指標
所謂壓電效應(yīng) "對于存對稱心異極晶體加晶體上外力除了使晶體發(fā)生形變外還改變晶體極化狀態(tài)晶體內(nèi)部建立電場種由于機械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng) "般加速度傳感器利用內(nèi)部由于加速度造成晶體變形特性由于變形會產(chǎn)生電壓只要計算出產(chǎn)生電壓和所施加加速度之間關(guān)系加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出當還有多其方法來制作加速度傳感器比壓阻技術(shù)電容效應(yīng)熱氣泡效應(yīng)光效應(yīng)其基本原理都由于加速度產(chǎn)生某介質(zhì)產(chǎn)生變形通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出
線加速度計原理慣性原理也力平衡A=F/M 我們只需要測量F了用電磁力去平衡力測得外力F得 F對應(yīng)于電流關(guān)系只需要用實驗去標定比例系數(shù)行了當間信號傳輸、放大、濾波要通過相應(yīng)電路來實現(xiàn)了
加速度傳感器幫助機器了解現(xiàn)身處環(huán)境水平走下坡還別情況現(xiàn)代生產(chǎn)生活被應(yīng)用于許許多多方面提電腦硬盤抗摔保護目前用數(shù)碼相機和攝像機里也有加速度傳感器用來檢測拍攝時候手部振動并根據(jù)些振動自動調(diào)節(jié)相機聚焦壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面
靈敏度壓電加速度傳感器應(yīng)用時候要考慮得重要因素之也傳感器正常工作時候輸入信號R于輸出信號C比值有成線性也有非線性例某位移傳感器位移變化1mm時輸出電壓變化200mV則其靈敏度應(yīng)表示200mV/mm靈敏度自越高實際上靈敏度越高測量范圍窄；相反靈敏度低點能獲得比較寬測量范圍所產(chǎn)品選擇傳感器時候要從需要出發(fā)味地使用高精度傳感器往往意味著更高成本
抗疲勞性也壓電加速度傳感器重要因素有些應(yīng)用需要持續(xù)長時間使用傳感器要求內(nèi)部部件能夠支持長時間監(jiān)測使用高強度、穩(wěn)定性好材料器件應(yīng)該能夠好解決問題
穩(wěn)定性些特殊場合運用傳感器時需要特定傳感器若般傳感器則會快毀損前老師課堂上說過運用于烤鴨考慮監(jiān)測溫度濕度傳感器要經(jīng)受住長期油膩、高溫、潮濕等相信壓電加速度也會有類似嚴峻工作環(huán)境要求了高穩(wěn)定性
通常情況下傳感器實際靜態(tài)特性輸出條曲線而非直線實際工作使儀表具有均勻刻度讀數(shù)常用條擬合直線近似地代表實際特性曲線、線性度（非線性誤差）近似程度性能指標
好
不好其 他 回 答共2條
1樓
壓電式加速度傳感器
（1）壓電式加速度計結(jié)構(gòu)和安裝
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計也屬于慣性式傳感器利用某些物質(zhì)石英晶體壓電效應(yīng)加速度計受振時質(zhì)量塊加壓電元件上力也隨之變化當被測振動頻率遠低于加速度計固有頻率時則力變化與被測加速度成正比
由于壓電式傳感器輸出電信號微弱電荷而且傳感器本身有大內(nèi)阻故輸出能量甚微給接電路帶來定困難 此通常把傳感器信號先輸高輸入阻抗前置放大器經(jīng)過阻抗變換方用于般放大、檢測電路信號輸給指示 儀表或記錄器目前制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成起產(chǎn)品僅方便了使用而且也大大降低了成本
(a)心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型
圖13.18 壓電式加速度計
常用壓電式加速度計結(jié)構(gòu)形式圖13.18所示S彈簧M質(zhì)塊B基座P壓電元件R夾持環(huán)圖13.18a央安 裝壓縮型壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝圓形心支柱上支柱與基座連接種結(jié)構(gòu)有高共振頻率而基座B與測試對 象連接時基座B有變形則直接影響拾振器輸出此外測試對象和環(huán)境溫度變化影響壓電元件并使預(yù)緊力發(fā)生變化 易引起溫度漂移圖13.18c三角剪切形壓電元件由夾持環(huán)其夾牢三角形心柱上加速度計感受軸向振動時壓電元件承 受切應(yīng)力種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好隔離作用有較高共振頻率和良好線性圖13.18b環(huán)形剪切型結(jié)構(gòu)簡單能做成極小型、高共振頻率加速度計環(huán)形質(zhì)量塊粘裝心支柱上環(huán)形壓電元件上由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變 軟因此高工作溫度受限制
圖13.19 壓電式加速度計幅頻特性曲線
加速度計使用上限頻率取決于幅頻曲線共振頻率圖（圖13.19）般小阻尼(z<=0.1)加速度計上限頻率若取共振頻率 1/3便保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取共振頻率1/5則保證幅值誤差小于0.5dB（即6%）相移小于30共振頻率與加速度計固定狀況有關(guān)加速度計出廠時給出幅頻曲線剛性連接固定情況下得實際使用固定方法往往難于達剛性連接因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降加速度計與試件各種固定方法見 圖13.20
圖13.20 加速度計固定方法
其圖13.20a采用鋼螺栓固定使共振頻率能達出廠共振頻率好方法螺栓得全部擰入基座螺孔免引起基座 變形影響加速度計輸出安裝面上涂層硅脂增加平整安裝表面連接靠性需要絕緣時用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計（圖13.20b）墊圈應(yīng)盡量簿用層簿蠟把加速度計粘試件平整表面上（圖13.20c）也用于低溫（40℃下）場合手持探針測振方法（圖13.20d）多點測試時使用特別方便測量誤差較大重復(fù)性差使用上限頻率般高于 1000Hz用專用永久磁鐵固定加速度計（圖13.20e）使用方便多低頻測量使用此法也使加速度計與試件絕緣用硬性粘接螺栓（圖13.20f）或粘接劑（圖13.20g）固定方法也長使用某種典型加速度計采用上述各種固定方法共振頻率分別約：鋼螺栓固定法31kHz云母墊片28kHz涂簿蠟層29kHz手持法2kHz永久磁鐵固定法7kHz
（2）壓電式加速度計靈敏度 壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器把看成電壓源或電荷源故靈敏度有電壓靈敏度和 電荷靈敏度兩種表示方法前者加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；者加速度計輸出電荷與所承受加速度之比 加速度單位m/s2振動測量往往用標準重力加速度g作單位1g= 9.80665m/s2種已大家所接受表示方式幾乎所有 測振儀器都用g作加速度單位并儀器板面上和說明書標出
對給定壓電材料而言靈敏度隨質(zhì)量塊增大或壓電元件增多而增大般來說加速度計尺寸越大 其固有頻率越低因此選用加速度計時應(yīng)當權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量影響和頻率響應(yīng)特性之間利弊
壓電晶體加速度計橫向靈敏度表示對橫向（垂直于加速度計軸線）振動敏感程度橫向靈敏度常主靈敏度（即加速度計電壓靈敏度或電荷靈敏度）百分比表示般殼體上用小紅點標出小橫向靈敏度方向優(yōu)良加速度計橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度3％因此壓電式加速度計測試時具有明顯方向性
（3）壓電加速度計前置放大器 壓電元件受力產(chǎn)生電荷量極其微弱電荷使壓電元件邊界和接邊界上導體充電 電壓U=q/Ca（里Ca加速度計內(nèi)電容）要測定樣微弱電荷（或電壓）關(guān)鍵防止導線、測量電路和加速度計本身電荷泄漏換句講壓電加速度計所用前置放大器應(yīng)具有極高輸 入阻抗把泄漏減少測量準確度所要求限度內(nèi)
壓電式傳感器前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器所用電壓放大器高輸入阻抗比例放大 器其電路比較簡單輸出受連接電纜對地電容影響適用于般振動測量電荷放大器電容作負反饋使用基本受 電纜電容影響電荷放大器通常用高質(zhì)量元、器件輸入阻抗高價格也比較貴
從壓電式傳感器力學模型看具有低通特性原測量極低頻振動實際上由于低頻尤其小振幅振動時加速度 值小傳感器靈敏度有限因此輸出信號微弱信噪比低；另外電荷泄漏積分電路漂移（用于測振動速度和位 移）、器件噪聲都避免所實際低頻端也出現(xiàn)截止頻率約0.1～1Hz左右
隨著電子技術(shù)發(fā)展目前大部分壓電式加速度計殼體內(nèi)都集成放大器由來完成阻抗變換功能類內(nèi)裝集成放大器 加速度計使用長電纜而無衰減并直接與大多數(shù)通用儀表、計算機等連接般采用2線制即用2根電纜給傳感器供給 2～10mA恒流電源而輸出信號也由2根電纜輸出大大方便了現(xiàn)場接線表13.1某廠家生產(chǎn)壓電式加速度計參數(shù)表 表13.1 常用壓電式加速度計參數(shù)表
型號
量程
靈敏度
分辨率
重量
應(yīng)用及特點
350B04
5000g
0.5mV/g
0.02g
4.5g
適用于爆破、撞擊等
350B21
100000g
0.05mV/g
0.3g
4.4g
適用于爆破、撞擊、爆炸分離等
351B03
150g
10mV/g
0.003g
10.5g
-196℃低溫環(huán)境下工作
352A
5g
1000mV/g
0.00004g
35g
高分辨率型
352C22
500g
10mV/g
0.0015g
0.5g
微型適用于小型結(jié)構(gòu)
352C65
50g
100mV/g
0.00016g
2g
小型、高靈敏度、高分辨率各種用途
353B18
500g
10mV/g
0.005g
2g
高頻、小型、石英剪切各種用途
353B33
50g
100mV/g
0.0005g
27g
三角剪切結(jié)構(gòu)石英通用加速度傳感器
353M255
2000g
2.5mV/g
0.04g
17.9g
沖擊傳感器、內(nèi)置濾波器樁基檢測
355B03
500g
10mV/g
0.0005g
10g
環(huán)型
356B08
50g
100mV/g
0.0002g
20g
軸、結(jié)構(gòu)實驗
356A18
5g
1000mV/g
0.00006g
24g
3軸、高靈敏度
356A40
10g
100mV/g
0.0002g
180g/片狀
3軸坐墊傳感器汽車實驗
356M41
500g
10mV/g
0.001g
4g/方形
3軸、小型模態(tài)、振動、噪聲實驗
393C
5g
1V/g
0.0001g
1000g
超低頻地震傳感器長期穩(wěn)定性良好
393B31
0.5g
10V/g
0.000001g
635g
超低頻地震傳感器高靈敏度
（4）壓電式速度傳感器
由于上述磁電式速度傳感器存響應(yīng)頻率范圍小機械運動部件容易損壞傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點近年發(fā)展了 壓電式速度傳感器即壓電式加速度傳感器基礎(chǔ)上增加了積分電路實現(xiàn)了速度輸出同樣種傳感器也全部實現(xiàn)了內(nèi)置具有替換磁電式速度傳感器趨向
（1）壓電式加速度計結(jié)構(gòu)和安裝
壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計也屬于慣性式傳感器利用某些物質(zhì)石英晶體壓電效應(yīng)加速度計受振時質(zhì)量塊加壓電元件上力也隨之變化當被測振動頻率遠低于加速度計固有頻率時則力變化與被測加速度成正比
由于壓電式傳感器輸出電信號微弱電荷而且傳感器本身有大內(nèi)阻故輸出能量甚微給接電路帶來定困難 此通常把傳感器信號先輸高輸入阻抗前置放大器經(jīng)過阻抗變換方用于般放大、檢測電路信號輸給指示 儀表或記錄器目前制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成起產(chǎn)品僅方便了使用而且也大大降低了成本
(a)心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型
圖13.18 壓電式加速度計
常用壓電式加速度計結(jié)構(gòu)形式圖13.18所示S彈簧M質(zhì)塊B基座P壓電元件R夾持環(huán)圖13.18a央安 裝壓縮型壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝圓形心支柱上支柱與基座連接種結(jié)構(gòu)有高共振頻率而基座B與測試對 象連接時基座B有變形則直接影響拾振器輸出此外測試對象和環(huán)境溫度變化影響壓電元件并使預(yù)緊力發(fā)生變化 易引起溫度漂移圖13.18c三角剪切形壓電元件由夾持環(huán)其夾牢三角形心柱上加速度計感受軸向振動時壓電元件承 受切應(yīng)力種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好隔離作用有較高共振頻率和良好線性圖13.18b環(huán)形剪切型結(jié)構(gòu)簡單能做成極小型、高共振頻率加速度計環(huán)形質(zhì)量塊粘裝心支柱上環(huán)形壓電元件上由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變 軟因此高工作溫度受限制
圖13.19 壓電式加速度計幅頻特性曲線
加速度計使用上限頻率取決于幅頻曲線共振頻率圖（圖13.19）般小阻尼(z<=0.1)加速度計上限頻率若取共振頻率 1/3便保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取共振頻率1/5則保證幅值誤差小于0.5dB（即6%）相移小于30共振頻率與加速度計固定狀況有關(guān)加速度計出廠時給出幅頻曲線剛性連接固定情況下得實際使用固定方法往往難于達剛性連接因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降加速度計與試件各種固定方法見 圖13.20
圖13.20 加速度計固定方法
其圖13.20a采用鋼螺栓固定使共振頻率能達出廠共振頻率好方法螺栓得全部擰入基座螺孔免引起基座 變形影響加速度計輸出安裝面上涂層硅脂增加平整安裝表面連接靠性需要絕緣時用絕緣螺栓和云母墊片來 固定加速度計（圖13.20b）墊圈應(yīng)盡量簿用層簿蠟把加速度計粘試件平整表面上（圖13.20c）也用于低溫（40℃下）場合手持探針測振方法（圖13.20d）多點測試時使用特別方便測量誤差較大重復(fù)性差使用上限頻率般高于 1000Hz用專用永久磁鐵固定加速度計（圖13.20e）使用方便多低頻測量使用此法也使加速度計與試件絕緣用硬性粘接螺栓（圖13.20f）或粘接劑（圖13.20g）固定方法也長使用某種典型加速度計采用上述各種固定方法共振頻率分別約：鋼螺栓固定法31kHz云母墊片28kHz涂簿蠟層29kHz手持法2kHz永久磁鐵固定法7kHz
（2）壓電式加速度計靈敏度 壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器把看成電壓源或電荷源故靈敏度有電壓靈敏度和 電荷靈敏度兩種表示方法前者加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；者加速度計輸出電荷與所承受加速度之比 加速度單位m/s2振動測量往往用標準重力加速度g作單位1g= 9.80665m/s2種已大家所接受表示方式幾乎所有 測振儀器都用g作加速度單位并儀器板面上和說明書標出
對給定壓電材料而言靈敏度隨質(zhì)量塊增大或壓電元件增多而增大般來說加速度計尺寸越大 其固有頻率越低因此選用加速度計時應(yīng)當權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量影響和頻率響應(yīng)特性之間利弊
壓電晶體加速度計橫向靈敏度表示對橫向（垂直于加速度計軸線）振動敏感程度橫向靈敏度常主靈敏度（即加速度計電壓靈敏度或電荷靈敏度）百分比表示般殼體上用小紅點標出小橫向靈敏度方向優(yōu)良加速度計橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度3％因此壓電式加速度計測試時具有明顯方向性
（3）壓電加速度計前置放大器 壓電元件受力產(chǎn)生電荷量極其微弱電荷使壓電元件邊界和接邊界上導體充電 電壓U=q/Ca（里Ca加速度計內(nèi)電容）要測定樣微弱電荷（或電壓）關(guān)鍵防止導線、測量電路和加速度計本身電荷泄漏換句講壓電加速度計所用前置放大器應(yīng)具有極高輸 入阻抗把泄漏減少測量準確度所要求限度內(nèi)
壓電式傳感器前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器所用電壓放大器高輸入阻抗比例放大 器其電路比較簡單輸出受連接電纜對地電容影響適用于般振動測量電荷放大器電容作負反饋使用基本受 電纜電容影響電荷放大器通常用高質(zhì)量元、器件輸入阻抗高價格也比較貴
從壓電式傳感器力學模型看具有低通特性原測量極低頻振動實際上由于低頻尤其小振幅振動時加速度 值小傳感器靈敏度有限因此輸出信號微弱信噪比低；另外電荷泄漏積分電路漂移（用于測振動速度和位 移）、器件噪聲都避免所實際低頻端也出現(xiàn)截止頻率約0.1～1Hz左右
隨著電子技術(shù)發(fā)展目前大部分壓電式加速度計殼體內(nèi)都集成放大器由來完成阻抗變換功能類內(nèi)裝集成放大器 加速度計使用長電纜而無衰減并直接與大多數(shù)通用儀表、計算機等連接般采用2線制即用2根電纜給傳感器供給 2～10mA恒流電源而輸出信號也由2根電纜輸出大大方便了現(xiàn)場接線表13.1某廠家生產(chǎn)壓電式加速度計參數(shù)表 表13.1 常用壓電式加速度計參數(shù)表
型號
量程
靈敏度
分辨率
重量
應(yīng)用及特點
350B04
5000g
0.5mV/g
0.02g
4.5g
適用于爆破、撞擊等
350B21
100000g
0.05mV/g
0.3g
4.4g
適用于爆破、撞擊、爆炸分離等
351B03
150g
10mV/g
0.003g
10.5g
-196℃低溫環(huán)境下工作
352A
5g
1000mV/g
0.00004g
35g
高分辨率型
352C22
500g
10mV/g
0.0015g
0.5g
微型適用于小型結(jié)構(gòu)
352C65
50g
100mV/g
0.00016g
2g
小型、高靈敏度、高分辨率各種用途
353B18
500g
10mV/g
0.005g
2g
高頻、小型、石英剪切各種用途
353B33
50g
100mV/g
0.0005g
27g
三角剪切結(jié)構(gòu)石英通用加速度傳感器
353M255
2000g
2.5mV/g
0.04g
17.9g
沖擊傳感器、內(nèi)置濾波器樁基檢測
355B03
500g
10mV/g
0.0005g
10g
環(huán)型
356B08
50g
100mV/g
0.0002g
20g
軸、結(jié)構(gòu)實驗
356A18
5g
1000mV/g
0.00006g
24g
3軸、高靈敏度
356A40
10g
100mV/g
0.0002g
180g/片狀
3軸坐墊傳感器汽車實驗
356M41
500g
10mV/g
0.001g
4g/方形
3軸、小型模態(tài)、振動、噪聲實驗
393C
5g
1V/g
0.0001g
1000g
超低頻地震傳感器長期穩(wěn)定性良好
393B31
0.5g
10V/g
0.000001g
635g
超低頻地震傳感器高靈敏度
（4）壓電式速度傳感器
由于上述磁電式速度傳感器存響應(yīng)頻率范圍小機械運動部件容易損壞傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點近年發(fā)展了 壓電式速度傳感器即壓電式加速度傳感器基礎(chǔ)上增加了積分電路實現(xiàn)了速度輸出同樣種傳感器也全部實現(xiàn)了內(nèi)置具有替換磁電式速度傳感器趨向
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