第9章加速度傳感器及工程應(yīng)用

1、第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用第第9章章 加速度傳感器及工程應(yīng)用加速度傳感器及工程應(yīng)用9.1 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器9.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器9.3 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器9.4 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器9.5 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器返回主目錄第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.1 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器由第4章 4.2節(jié)可知，電阻應(yīng)變片借助于測(cè)量電路可以進(jìn)行力的測(cè)量，從而可以構(gòu)建各式各樣的測(cè)力傳感器。根據(jù)牛頓第二定律 可知式中，a為運(yùn)動(dòng)物體的加速度；m為運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量；F為運(yùn)動(dòng)物體所受的合力。式(9

2、1)表明，當(dāng)物體質(zhì)量m確定后，物體運(yùn)動(dòng)的加速度a就與作用在它上面的合力F成正比。由此可知，利用電阻應(yīng)變片也可以構(gòu)建加速度傳感器。mFa (9 1)第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.1.1 基本基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)由電阻應(yīng)變片構(gòu)成的加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。它主要由電阻應(yīng)變片、質(zhì)量快、等強(qiáng)度梁及殼體等組成。其中，等強(qiáng)度梁的一端固定在殼體上，另一端為自由端，安裝著質(zhì)量塊，4個(gè)電阻應(yīng)變片分別粘貼在等強(qiáng)度梁的上、下兩個(gè)面上，并組成全橋差動(dòng)測(cè)量電路。圖圖9-1 應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.1.2 測(cè)量原理測(cè)量原理測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛

3、性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力 作用，使等強(qiáng)度懸臂梁發(fā)生應(yīng)變。該應(yīng)變與力F成正比，即=K1F，從而使粘貼在懸臂梁上的電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。這個(gè)阻值的變化經(jīng)過(guò)全橋差動(dòng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)變成與應(yīng)變成正比的電橋不平衡電壓Uo輸出，即Uo=K2。從而可知輸出電壓Uo=-K2K1ma。 由此可知，只要測(cè)量出這個(gè)不平衡電壓就可以計(jì)算出物體運(yùn)動(dòng)的加速度a。第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器9.2.1 基本基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9-2所示。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。則質(zhì)量塊m所受的力

4、F是加速度a的函數(shù)，即圖圖9-2 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖maF 第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.2.2壓電式加速度傳感器的測(cè)量原理壓電式加速度傳感器的測(cè)量原理 測(cè)量時(shí)，把壓電加速度傳感器與被測(cè)物體剛性連接，當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物體一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度很大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)。這樣，質(zhì)量塊m就有一慣性力F作用到壓電元件上。由于壓電效應(yīng)，便在壓電元件上產(chǎn)生電荷q，其電荷量大小為dmadFq(9-2) 由式(9-4)可知，只要測(cè)出加速度傳感器的輸出電荷量便可知道被測(cè)物體振動(dòng)的加速度

5、。第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.3 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 由差動(dòng)電容組成的加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-3所示。9.3.1 基本基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖9-3 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 它主要有殼體、固定極板和中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊組成。其中，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面磨平拋光，作為差動(dòng)電容器的動(dòng)極板。這樣，該質(zhì)量塊的兩個(gè)端面與兩塊固定極板就組成差動(dòng)電容器C1和C2。第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.3.2 測(cè)量原理測(cè)量原理 測(cè)量時(shí)，把電容式加速度傳感器與被測(cè)物體剛性連接。當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)物體沿垂直方向做直線加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固

6、定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生位移x。若兩個(gè)電容器的初始極距都為d0，初始電容量都為C0=0rA/d0，假設(shè)位移x使差動(dòng)電容C1的極距d1=d0-x，差動(dòng)電容C2的極距d2=d0+x，那么差動(dòng)電容C1和C2的表達(dá)式分別為0000101/1dxCxdAdACrr0000202/1dxCxdAdACrr(9 4)(9 5)第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用式中，A為動(dòng)極板與定極板間的有效面積，d1、d2分別為動(dòng)極板與定極板間的極距。0、r分別為動(dòng)極板與定極板之間的真空介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)。利用差動(dòng)電容測(cè)量電路把位移x測(cè)量出來(lái)，根據(jù)a=d2x/dt2就可以測(cè)量出被測(cè)加速度a。這就是電容式加速度傳

7、感器測(cè)量加速度的原理。這種加速度傳感器的特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快，精度高，量程大。并且多數(shù)采用空氣或其他氣體作為阻尼物質(zhì)。第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.4 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器9.4.1 基本基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 利用差動(dòng)變壓器構(gòu)成的加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-4(a)所示，它主要由懸臂梁、螺線管式差動(dòng)變壓器和底座構(gòu)成。圖圖9-4 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器及測(cè)量電路方框圖差動(dòng)變壓器式加速度傳感器及測(cè)量電路方框圖第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.4.2 測(cè)量原理測(cè)量原理 測(cè)量時(shí)，將加速度傳感器的底座固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連。當(dāng)被測(cè)物體以位移x振動(dòng)時(shí)，銜鐵也隨被測(cè)體一起振動(dòng)

8、，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同的規(guī)律變化。由于被測(cè)振動(dòng)位移x與振動(dòng)加速度a的關(guān)系是a=d2x/dt2，因此差動(dòng)變壓器的輸出電壓也與振動(dòng)加速度有關(guān)系。因?yàn)椴顒?dòng)變壓器的輸出電壓是交流，為了能辨別加速度的方向，還需要相敏檢波和濾波測(cè)量電路，其框圖如圖9-4(b)所示。這樣就可以得到與振動(dòng)加速度大小和方向一致的直流輸出電壓。這就是差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的測(cè)量原理。第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.5 光纖光纖加速度傳感器加速度傳感器9.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 利用光纖構(gòu)成的光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)方框圖如圖9 5所示。它由激光器、分光器、凸透鏡、單模光纖、質(zhì)量快、固定架、干涉探測(cè)器和處理電路等組成。圖圖9-5 光纖加速度傳感器測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖加速度傳感器測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.5.2 測(cè)量原理測(cè)量原理 由圖9-5可知，它采用簡(jiǎn)諧振子結(jié)構(gòu)形式。激光束通過(guò)分光器分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測(cè)量光束。當(dāng)光纖感受到加速度作用時(shí)，由于質(zhì)量塊m對(duì)光纖的作用，從