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 差動變壓器式加速度傳感器差動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)變片借助于測量電路可以進(jìn)行力的測量，從而可以構(gòu)建各式各樣的測力傳感器。根據(jù)牛頓第二定律 可知式中，a為運(yùn)動物體的加速度；m為運(yùn)動物體的質(zhì)量；F為運(yùn)動物體所受的合力。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，并組成全橋差動測量電路。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 測量原理測量原理測量時(shí)，將傳感器殼體與被測對象剛

3、性連接，當(dāng)被測物體以加速度a運(yùn)動時(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)過全橋差動測量電路轉(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，只要測量出這個(gè)不平衡電壓就可以計(jì)算出物體運(yùn)動的加速度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量原理壓電式加速度傳感器的測量原理 測量時(shí)，把壓電加速度傳感器與被測物體剛性連接，當(dāng)加速度傳感器和被測物體一起受到?jīng)_擊振動時(shí)，由于彈簧的剛度很大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，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。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，只要測出加速度傳感器的輸出電荷量便可知道被測物體振動的加速度

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，作為差動電容器的動極板。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 測量原理測量原理 測量時(shí)，把電容式加速度傳感器與被測物體剛性連接。當(dāng)傳感器殼體隨被測物體沿垂直方向做直線加速度運(yùn)動時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個(gè)固

6、定電極將相對于質(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使差動電容C1的極距d1=d0-x，差動電容C2的極距d2=d0+x，那么差動電容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為動極板與定極板間的有效面積，d1、d2分別為動極板與定極板間的極距。0、r分別為動極板與定極板之間的真空介電常數(shù)和相對介電常數(shù)。利用差動電容測量電路把位移x測量出來，根據(jù)a=d2x/dt2就可以測量出被測加速度a。這就是電容式加速度傳

7、感器測量加速度的原理。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 差動變壓器式加速度傳感器差動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、螺線管式差動變壓器和底座構(gòu)成。圖圖9-4 差動變壓器式加速度傳感器及測量電路方框圖差動變壓器式加速度傳感器及測量電路方框圖第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.4.2 測量原理測量原理 測量時(shí)，將加速度傳感器的底座固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連。當(dāng)被測物體以位移x振動時(shí)，銜鐵也隨被測體一起振動

8、，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同的規(guī)律變化。由于被測振動位移x與振動加速度a的關(guān)系是a=d2x/dt2，因此差動變壓器的輸出電壓也與振動加速度有關(guān)系。因?yàn)椴顒幼儔浩鞯妮敵鲭妷菏墙涣?，為了能辨別加速度的方向，還需要相敏檢波和濾波測量電路，其框圖如圖9-4(b)所示。這樣就可以得到與振動加速度大小和方向一致的直流輸出電壓。這就是差動變壓器式加速度傳感器的測量原理。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、干涉探測器和處理電路等組成。圖圖9-5 光纖加速度傳感器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖加速度傳感器測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第9章 加速度傳感器及工程應(yīng)用9.5.2 測量原理測量原理 由圖9-5可知，它采用簡諧振子結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光器分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當(dāng)光纖感受到加速度作用時(shí)，由于質(zhì)量塊m對光纖的作用，從