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压电式加速度传感器及其应用研究

2014/11/13 18:31:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  一、 压电式加速度传感器原理

  压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应,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。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时,则力的变化与被测加速度成正比。

  由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷,而且传感器本身有很大内阻,故输出能量甚微,这给后接电路带来一定困难。 为此,通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后,方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。

  二、压电式加速度传感器构成元件

  

  常用的压电式加速度计的结构形式如图一所示。S是弹簧,M是质块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。图一a是中央安 装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上,支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对 象连接时,如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外,测试对象和环境温度变化将影响压电元件,并使预紧力发生变化, 易引起温度漂移。图一c为三角剪切形,压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时,压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用,有较高的共振频率和良好的线性。图一b为环形剪切型,结构简单,能做成极小型、高共振频率的加 速度计,环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软,因此最高工作温度受到限制。

  三、压电式加速度传感器幅频特性

  

  加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图(图二)。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计,上限频率若取为共振频率的 1/3,便可保证幅值误差低于1dB(即12%);若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差小于0.5dB(即6%),相移小于30。但共振频率与加速 度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接,因而共振频率和使用上限频 率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见 图三。

  

  其中图三a采用钢螺栓固定,是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔,以免引起基座 变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计(图三b),但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上(图三c),也可用于低温(40℃以下)的场合。手持探针测振方法(图 三d)在多点测试时使用特别方便,但测量误差较大,重复性差,使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计(图三e),使用方便,多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓(图三f)或粘接剂 (图三g)的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为:钢螺栓固定法31kHz,云母垫片28kHz,涂簿蜡层 29kHz,手持法2kHz,永久磁铁固定法7kHz。

  四、压电式加速度传感器的灵敏度

  压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器,可把它看成电压源或电荷源,故灵敏度有电压灵敏度和 电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压(mV)与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。 加速度单位为m/s2,但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位,1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式,几乎所有 测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言,灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说,加速度计 尺寸越大 ,其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

  压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向(垂直于加速度计轴线)振动的敏感程度,横向灵敏度常以主灵敏度(即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏 度)的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向,一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。因此,压电式加速度计在测试时具 有明显的方向性。

  五、压电式加速度传感器误差形成因素分析

  压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱,这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电 到电压U=q/Ca(这里Ca是加速度计的内电容)。要测定这样微弱的电荷(或电压)的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲,压 电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗,把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内,压电式传感器的前置放大器有:电压放大器和电荷放大器。所用 电压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单,但输出受连接电缆对地电容的影响,适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈,使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中,通常用高质量的元、器件,输入阻抗高,但价格也比较贵。

  从压电式传感器的力学模型看,它具有“低通”特性,原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时,加速度值小,传感器的灵敏度有 限,因此输出的信号将很微弱,信噪比很低;另外电荷的泄漏,积分电路的漂移(用于测振动速度和位 移)、器件的噪声都是不可避免的,所以实际低频端也出现“截止频率”,约为0.1~1Hz左右。

  六、压电式加速度传感器的实际应用

  目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器,能够动态的监测出笔记本在使用中的振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运 行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数 码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。

  概括起来,加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

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