壓電式加速度感測器

壓電式加速度感測器

壓電式加速度感測器又稱壓電加速度計。它也屬於慣性式感測器。它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應,在加速度計受振時,質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低於加速度計的固有頻率時,則力的變化與被測加速度成正比。

基本介紹

  • 中文名:壓電式加速度感測器
  • 又稱:壓電加速度計
  • 屬於:慣性式感測器
  • 利用:某些物質如石英晶體的壓電效應
工作原理,構成,特性曲線,固定方法,簡介,靈敏度,前置放大器,例如,套用場合,

工作原理

壓電式加速度感測器是基於壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷;當外力去除後,又重新恢復到不帶電狀態,這種現象稱為“壓電效應”,具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。

構成

壓電式加速度感測器 壓電式加速度計的結構和安裝壓電式加速度計的結構形式
壓電加速度計的結構形式壓電加速度計的結構形式
常用的壓電式加速度計的結構形式如圖。S是彈簧,M是質量塊,B是基座,P是壓電元件,R是夾持環。圖a是中央安裝壓縮型,壓電元件—質量塊—彈簧系統裝在圓形中心支柱上,支柱與基座連線。這種結構有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連線時,如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外,測試對象和環境溫度變化將影響壓電元件,並使預緊力發生變化, 易引起溫度漂移。圖c為三角剪下形,壓電元件由夾持環將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時,壓電元件承 受切應力。這種結構對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用,有較高的共振頻率和良好的線性。圖b為環形剪下型,結構簡單,能做成極小型、高共振頻率的加速度計,環形質量塊粘到裝在中心支柱上的環形壓電元件上。由於粘結劑會隨溫度增高而變軟,因此最高工作溫度受到限制。

特性曲線

加速度計的使用上限頻率取決於幅頻曲線中的共振頻率
一般小阻尼(z<=0.1)的加速度計,上限頻率若取為共振頻率的 1/3,便可保證幅值誤差低於1dB(即12%);若取為共振頻率的1/5,則可保證幅值誤差小於0.5dB(即6%),相移小於30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關,加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連線的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難於達到剛性連線,因而共振頻率和使用上限頻率都會有所下降。加速度計與試件的各種固定方法見圖.

固定方法

簡介

其中採用鋼螺栓固定,是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔,以免引起基座 變形,影響加速度計的輸出。在安裝面上塗一層矽脂可增加不平整安裝表面的連線可靠性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和雲母墊片來 固定加速度計,但墊圈應儘量簿。用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上,也可用於低溫(40℃以下)的場合。手持探針測振方法,在多點測試時使用特別方便,但測量誤差較大,重複性差,使用上限頻率一般不高於 1000Hz。用專用永久磁鐵固定加速度計,使用方便,多在低頻測量中使用。此法也可使加速度計與試件絕緣。用硬性粘接螺栓或粘接劑的固定方法也長使用。某種典型的加速度計採用上述各種固定方法的共振頻率分別約為:鋼螺栓固定法31kHz,雲母墊片28kHz,塗簿蠟層29kHz,手持法2kHz,永久磁鐵固定法7kHz。
加速度計固定方法加速度計固定方法

靈敏度

壓電加速度計屬發電型感測器,可把它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。前者是加速度計輸出電壓(mV)與所承受加速度之比;後者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。 加速度單位為m/s^2,但在振動測量中往往用標準重力加速度g作單位,1g= 9.80665m/s^2。這是一種已為大家所接受的表示方式,幾乎所有 測振儀器都用g作為加速度單位並在儀器的板面上和說明書中標出。
對給定的壓電材料而言,靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說,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當權衡靈敏度和結構尺寸、附加質量的影響和頻率回響特性之間的利弊。
壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向(垂直於加速度計軸線)振動的敏感程度,橫向靈敏度常以主靈敏度(即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度)的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向,一個優良的加速度計的橫向靈敏度應小於主靈敏度的3%。因此,壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。

前置放大器

壓電元件受力後產生的電荷量極其微弱,這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導體充電 到電壓U=q/Ca(這裡Ca是加速度計的內電容)。要測定這樣微弱的電荷(或電壓)的關鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講,壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸 入阻抗,把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內。
壓電式感測器的前置放大器有:電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大 器。其電路比較簡單,但輸出受連線電纜對地電容的影響,適用於一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋,使用中基本不受 電纜電容的影響。在電荷放大器中,通常用高質量的元、器件,輸入阻抗高,但價格也比較貴。
從壓電式感測器的力學模型看,它具有“低通”特性,原可測量極低頻的振動。但實際上由於低頻尤其小振幅振動時,加速度 值小,感測器的靈敏度有限,因此輸出的信號將很微弱,信噪比很低;另外電荷的泄漏,積分電路的漂移(用於測振動速度和位 移)、器件的噪聲都是不可避免的,所以實際低頻端也出現“截止頻率”,約為0.1~1Hz左右。

例如

秦皇島市恆科科技有限公司生產的壓電式加速度感測器 型號:HK9101-J 指標如下靈敏度:~35pC/g
測量範圍:-100g~+100g
頻率範圍:0.2~8000Hz
安裝諧振頻率:~28kHz(鋼螺栓固定)
最大橫向靈敏度比:<5%
質量:19克
安裝螺栓:M5
頂、側端兩種引線方式,感測器外殼對地絕緣。

套用場合

在現代生產生活中被套用於許許多多的方面,如手提電腦的硬碟抗摔保護,目前用的數位相機和攝像機里,也有加速度感測器,用來檢測拍攝時候的手部的振動,並根據這些振動,自動調節相機的聚焦。壓電加速度感測器還套用於汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面。

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