振動(dòng)加速度傳感器的工作原理解析

最常用的振動(dòng)加速度傳感器是壓電式加速度計(jì)。這種類型的傳感器具有非常廣泛的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。還有很多其他類型的加速度計(jì)被用于測(cè)量很低頻率的加速度，例如汽車(chē)的制動(dòng)，提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，甚至于地球產(chǎn)生的重力加速度。這些測(cè)量項(xiàng)目主要依靠壓阻、電容和伺服技術(shù)。

壓電式加速度傳感器

壓電式加速度計(jì)堅(jiān)固耐用，結(jié)構(gòu)緊湊，頻率響應(yīng)范圍寬，適用于監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承等很高頻率的振動(dòng)。壓電式加速度傳感器是慣性式傳感器，采取在機(jī)器外殼安裝的結(jié)構(gòu)。

壓電傳感器這些固有特性是因?yàn)槭褂脡弘姴牧献鳛槊舾性鞲衅鞯恼鹗庂|(zhì)量塊在加速度作用下產(chǎn)生慣性力，這個(gè)力對(duì)具有一定剛度的壓電元件產(chǎn)生壓電效應(yīng)。在低于震蕩質(zhì)量固有頻率的一個(gè)頻率范圍內(nèi)，傳感器輸出的電量與加速度成正比。壓電加速度計(jì)的典型頻率響應(yīng)如下圖所示。

壓電效應(yīng)與壓電材料

某些材料受到一定方向的外力F而發(fā)生變形時(shí)，在一定表面上產(chǎn)生電荷q，當(dāng)外力撤銷后，恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相反，如果這些材料在極化方向被外電場(chǎng)作用，就會(huì)在一定方向產(chǎn)生機(jī)械變形或應(yīng)力，如果撤除外電場(chǎng)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，即電致伸縮效應(yīng)。壓電敏感元件是由壓電材料表面鍍金屬膜構(gòu)成的，其等效電路為電容器，如下圖所示。

如果從晶體中切下一個(gè)平行六面體，并使其晶面分別平行于z、y和z軸。這個(gè)晶片在自然狀態(tài)下不顯電性，受外力作用時(shí)，將沿x軸方向形成電場(chǎng)，其電荷分布于垂直于z軸的平面。沿z軸方向加力F、產(chǎn)生縱向壓電效應(yīng)，沿 y軸加力F，產(chǎn)生橫向壓電效應(yīng)，沿相對(duì)兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應(yīng)，如下圖所示。

根據(jù)傳感器的工作模式，壓電加速度計(jì)可以分為兩種主要類型∶內(nèi)置電子儀器壓電型，即 IEPE（Internal electronic piezoelectric，內(nèi)置電子儀器的壓電型）型，包含內(nèi)置微電子信號(hào)調(diào)理器;而電荷型加速度計(jì)只有自源式的壓電敏感元件。

電阻/壓阻式加速度傳感器

電阻式加速度計(jì)使用應(yīng)變計(jì)作為敏感元件。當(dāng)?shù)鬃患铀贂r(shí)，通過(guò)懸臂梁傳送的力使質(zhì)量塊產(chǎn)生加速度。用應(yīng)變計(jì)測(cè)量梁的撓曲，為取最大靈敏度，通常采用壓阻式應(yīng)變計(jì)，并且由四個(gè)應(yīng)變計(jì)組成惠斯登電橋。在殼體內(nèi)灌注阻尼流體，作為振蕩阻尼。這種加速度計(jì)的測(cè)量范圍達(dá)到士1000g。然而，它的固有頻率一般較低，使用頻率的上限僅為幾百赫茲。雖然某些產(chǎn)品的頻率上限可達(dá)1～2kHz，但是比壓電傳感器的頻率上限低很多。應(yīng)變計(jì)加速度計(jì)的價(jià)格比壓電加速度計(jì)便宜很多。

現(xiàn)代壓阻加速度計(jì)采用 MEMS（Micro-electro- mechanical Systems，微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)制造。在這種加速度計(jì)中，應(yīng)變計(jì)被直接擴(kuò)散到撓曲元件上，因此半導(dǎo)體硅既是撓曲原件又是傳感元件。因?yàn)閾锨膭偠却?，所以頻率范圍廣。同時(shí)具有尺寸小，靈敏度高（壓阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變計(jì)的 25～50 倍），信噪比大，線性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，工作溫度為一20～120℃。

電容式加速度傳感器

MEMS電容式加速度計(jì)的敏感元件用靜電鍵合工藝構(gòu)成平板電容器，具有頻響范圍寬，低頻直至零頻，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，使用方便的特點(diǎn)。內(nèi)置電子電路，提供高電平、低阻抗輸出。雖然設(shè)計(jì)的加速度測(cè)量值較低，但是能夠承受很大的加速度沖擊。適用于彈道監(jiān)視、結(jié)構(gòu)評(píng)估、顫振試驗(yàn)，汽車(chē)懸架和制動(dòng)器試驗(yàn)等應(yīng)用。

伺服式加速度傳感器

伺服式加速度計(jì)即力平衡式加速度計(jì)，其工作原理如下圖所示。

在這種裝置中，加速度引起擺塊的輕微移動(dòng)。該移動(dòng)被位置敏感元件測(cè)量，并且通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)扭矩馬達(dá)的電壓，使得擺塊向回移動(dòng)，接近它的初始位置。所需的扭矩與加速度成正比，所以用于驅(qū)動(dòng)扭矩馬達(dá)的電壓就是加速度的度量。伺服加速度計(jì)非常精準(zhǔn)，大量地應(yīng)用于飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星控制系統(tǒng)。它的線加速度測(cè)量范圍可達(dá)到 50g，并且還可以測(cè)量角加速度。由于其固有頻率低，通常低于200Hz，所以主要用于靜態(tài)和低頻的測(cè)量。
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