传感器与检测技术课件第四章-第二节加速度传感器

1、第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。 通过测量加速度获取物体的运动状态。例如，惯性导航系通过测量加速度获取物体的运动状态。例如，惯性导航系统就是通过飞行器的加速度来测量它的加速度、速度统就是通过飞行器的加速度来测量它的加速度、速度(地速地速)、位置、已飞过的距离以及相对于预定到达点的方向等。位置、已飞过的距离以及相对于预定到达点的方向等。 可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负荷的大小，以便正确设计其机械强

2、度和按照设计指标正负荷的大小，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控制其运动加速度，以免机件损坏。确控制其运动加速度，以免机件损坏。 在瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的测量中电子加速度在瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的测量中电子加速度计几乎是唯一手段。计几乎是唯一手段。 对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置安装对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。在运动体上进行测量。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 压电式、电阻式、电感式、电容式、谐振式、光纤式、力压电式、电阻式、电感式、电容式、谐振式、光纤式、力平衡式平衡式加速度

3、测量方法：加速度测量方法：（1）加速度传感器加速度传感器（2）速度或位移传感器）速度或位移传感器+微分电路微分电路分类（按原理）：分类（按原理）：第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 加速度测量原理加速度测量原理质量块相对基座的位移与加速度成正比，通过测量该质量块相对基座的位移与加速度成正比，通过测量该位移（灵敏度低）或惯性力（灵敏度高）来测量加速度位移（灵敏度低）或惯性力（灵敏度高）来测量加速度（以惯性式为例）（以惯性式为例）第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 加速度测量原理加速度测量原理 （以惯性式为例）（以惯性式为例）力学模型如图

4、所示。图中力学模型如图所示。图中 y1y1表示壳体绝对位移；表示壳体绝对位移； y0质量块的绝对位移；质量块的绝对位移； y01表示表示壳体与壳体与 质块的相对位移。质块的相对位移。测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量块与外壳之间产生相器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量块与外壳之间产生相对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振动问题的位移、速度和加速度动问题的位移、速度和加速度第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加

5、速度传感器加速度传感器 运动方程运动方程 0110101()0m yycyky20100100112yyyy 20km02cm强迫振动解为强迫振动解为01sin()myyt其中其中20122200()1() (2)mmyy 0202arctg1() 则则20222100()1() (2)mmyy 第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 对对 的讨论的讨论1mmyy11mmyy表明质块和壳体的相对运动（输表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的出）和基础的振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标中几乎处于静止状态中几乎处于静

6、止状态 作为加速度计作为加速度计的条件的条件210()mmyy1201mmyy作为位移计的条件作为位移计的条件20222100()1() (2)mmyy 1 1 当当 时时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时，即被测频率远高于传感器固有频率时 2 2 当当 时时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时，即被测频率远低于传感器固有频率时 第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 随着被测频率的变化，该传感器可以成为位移传感器、速度随着被测频率的变化，该传感器可以成为位移传感器、速度传感器和加速度传感器。传感器和加速度传感器。位移传感器的工作区域为位移传感器的工作区域为加速度传

7、感器的工作区域为加速度传感器的工作区域为速度传感器的工作区域为速度传感器的工作区域为 = 0要使加速度传感器的固有频率要使加速度传感器的固有频率 0 0，尽可能大，可以扩大测量，尽可能大，可以扩大测量范围范围20km减小减小mm即可实现即可实现第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器原理图原理图压电晶片压电晶片引出电极引出电极质量块质量块壳体壳体当传感器与被测振动加速度的机当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械件紧固在一起后，传感器受机械运动

8、的振动加速度作用，压电晶运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的压力，片受到质量块惯性引起的压力，其方向与振动加速度方向相反，其方向与振动加速度方向相反，大小由大小由F=maF=ma决定。惯性引起的决定。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷。压力作用在压电晶片上产生电荷。电荷由引出电极引出，由此将振电荷由引出电极引出，由此将振动加速度转换成电量。动加速度转换成电量。弹簧是给压电晶片提供预紧力的，预紧力不够，加速度又比较大时，质量块将与压电晶片产生敲击碰撞；预紧力也不能太大，否则会引起压电晶片的非线性误差1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理第四章 速度、加速度传感器第

9、二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理（1 1）压缩型）压缩型在图中，在图中，S S是弹簧，是弹簧，MM是质块，是质块，B B是是基座，基座，P P是压电元件。是压电元件。图图a a是中央安是中央安装压缩型装压缩型，压电元件，压电元件质量块质量块弹弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱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与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座频率。然而基座B B与测试对象连接与测试对象连接时，如果基座时，如果基座B B有变形则将直接影有变形则将直接影响拾振器输

10、出。此外，测试对象和响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，使预紧力发生变化， 易引起温度漂易引起温度漂移。移。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理（1 1）压缩型）压缩型第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理（1 1）压缩型）压缩型 汽车发动机是利用火花塞跳火将混合气点燃汽车发动

11、机是利用火花塞跳火将混合气点燃, ,使火焰在混使火焰在混合气内不断传播进行燃烧。如果恰当地将点火时间提前一些，合气内不断传播进行燃烧。如果恰当地将点火时间提前一些，可使气缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使转矩增可使气缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使转矩增大，排污减少，但如果点火时间过早或油品质不好大，排污减少，但如果点火时间过早或油品质不好, ,火焰在传火焰在传播途中当压力异常升高时播途中当压力异常升高时, ,一些部位的混合气不等火焰传到一些部位的混合气不等火焰传到, ,就自己着火燃烧就自己着火燃烧, ,造成瞬时爆发燃烧造成瞬时爆发燃烧, ,由此引起的气体冲击波由此引起的气体冲击

12、波冲击汽缸壁产生金属敲击声种，这现象称为爆震。冲击汽缸壁产生金属敲击声种，这现象称为爆震。 爆震引起的主要危害有爆震引起的主要危害有: :一是噪音一是噪音, ,二是振动。振动很可二是振动。振动很可能使发动损坏，特别是大负荷条件下这种可能性更大。能使发动损坏，特别是大负荷条件下这种可能性更大。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理（1 1）压缩型）压缩型将振动传感器旋在气缸的侧壁上。当发生爆震时，传感器产将振动传感器旋在气缸的侧壁上。当发生爆震时，传感器产生共振，输出尖脉冲

13、给汽车发动机电控单元生共振，输出尖脉冲给汽车发动机电控单元, ,进而推迟点火时进而推迟点火时刻，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震。刻，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理（2 2）剪切型）剪切型右图为环形剪切型右图为环形剪切型，结，结构简单，能做成极小型、构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元心支柱上的环形压电元件上。件上。第四章 速度、加速

14、度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器1.1.压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器原理（2 2）剪切型）剪切型右图为三角剪切形右图为三角剪切形，压，压电元件由夹持环将其夹电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动加速度计感受轴向振动时，压电元件承时，压电元件承 受切应受切应力。这种结构对底座变力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。振频率和良好的线性。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 具有

15、动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是最为广泛使用的振动测量传感器最为广泛使用的振动测量传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器2.2.压电式加速度传感器的特点压电式加速度传感器的特点压电式加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构压电式加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。的影响就小。压电传感器本身的内阻抗很高，而输出的能量又非常微弱，因压电传感器本身的内阻抗很高，而输出的能量又非

16、常微弱，因此在使用时，必须接高输入阻抗的前置放大器此在使用时，必须接高输入阻抗的前置放大器第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器2.2.压电式加速度传感器的特点压电式加速度传感器的特点前置放大器前置放大器压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用所用电压放大器电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比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。振动测量。

17、电荷放大器电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受以电容作负反馈，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，但价格也比较贵件，输入阻抗高，但价格也比较贵. . 第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 A0CaUUSC电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图iRaqCFRF一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器2.2.压电式加速度传感器的特点压电式加速度传感器的特点电荷放大器电荷放大器当当A A0 0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A A0 0无关，只取决于输入电荷无关

18、，只取决于输入电荷q q和反馈和反馈电容电容C CF F，改变，改变C CF F的大小便可得到所需的电压输出。的大小便可得到所需的电压输出。 C CF F一般取值一般取值100-10100-104 4pFpF。SCFqUC 第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器3.3.压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度压电加速度传感器属发典型传感器，可把它看成电压源或电荷源，压电加速度传感器属发典型传感器，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式。故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方式

19、。电压灵敏度电压灵敏度加速度传感器输出电荷与所承受的加速度之比加速度传感器输出电荷与所承受的加速度之比电荷灵敏度电荷灵敏度加速度传感器输出电压与所承受的加速度之比加速度传感器输出电压与所承受的加速度之比单位单位加速度单位用加速度单位用m/sm/s2 2，但振动测量中都习惯用，但振动测量中都习惯用g g作为作为加速度单位加速度单位第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器3.3.压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度 对给定的压电材料，灵敏度随质量块的增大或压电片的增多对给定的压电材料，灵敏度随质量块的增大或压电片

20、的增多而增大。一般加速度传感器尺寸越大，其固有频率越低。而增大。一般加速度传感器尺寸越大，其固有频率越低。 因此选用加速度传感器时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附因此选用加速度传感器时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量影响和频率响应之间的利弊。加质量影响和频率响应之间的利弊。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器3.3.压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度 灵敏度并不是越高越好。灵敏度低的传感器可用于动态范围灵敏度并不是越高越好。灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量，例如打桩机的冲击振动、汽车的撞击实验

21、、炸很宽的振动测量，例如打桩机的冲击振动、汽车的撞击实验、炸弹的贯穿延时引爆等。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱弹的贯穿延时引爆等。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。例如用于寻找地下管道的泄露点（水管漏水处可发出几的振动。例如用于寻找地下管道的泄露点（水管漏水处可发出几千赫兹的特殊振动）；或测量桥梁、楼房、桩基的受激振动以及千赫兹的特殊振动）；或测量桥梁、楼房、桩基的受激振动以及分析精密机床床身的振动以提高加工精度。分析精密机床床身的振动以提高加工精度。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器3.3.压电式加速

22、度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度横向灵敏度横向灵敏度压电晶体加速度传感器的横向灵敏度表示它对横向（垂直于压电晶体加速度传感器的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度轴线）振动的敏感程度。加速度轴线）振动的敏感程度。表示方法表示方法横向灵敏度以主灵敏度的百分比表示。横向灵敏度以主灵敏度的百分比表示。机械加工及封装误差；机械加工及封装误差；压电元件本身的横向压电效应；压电元件本身的横向压电效应；结构设计不合理；结构设计不合理；装配不当产生的附加应力。装配不当产生的附加应力。产生原因产生原因第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速

23、度传感器4.4.压电式加速度传感器的安装与使用压电式加速度传感器的安装与使用 理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用中，有如下几种方法。体使用中，有如下几种方法。abcdefg1 1）用于长期检测振动）用于长期检测振动机械的压电加速度传感机械的压电加速度传感器应采用双头螺栓牢固器应采用双头螺栓牢固地固定在监视点上。地固定在监视点上。第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器4.4.压电式加速度传感器的安装与使用压电式加速度传感器的安装与使用 理论上压电加速

24、度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用中，有如下几种方法。体使用中，有如下几种方法。abcdefg图图a a采用钢螺栓固定，是采用钢螺栓固定，是共振频率能达到出厂共振共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以得全部拧入基座螺孔，以免引起基座免引起基座 变形，影响加变形，影响加速度计的输出。在安装面速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。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需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定

25、加速度计（图（图b b）但垫圈应尽量簿但垫圈应尽量簿也可以用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上也可以用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图（图c c）第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器4.4.压电式加速度传感器的安装与使用压电式加速度传感器的安装与使用 理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用中，有如下几种方法。体使用中，有如下几种方法。abcdefg2 2）短时间检测低频微弱）短时间检测低频微弱振动时，可用磁铁将钢制振动时，可用磁铁将钢制传感

26、器底座吸附在检测点传感器底座吸附在检测点上。上。如图如图e e所示所示第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器4.4.压电式加速度传感器的安装与使用压电式加速度传感器的安装与使用 理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用中，有如下几种方法。体使用中，有如下几种方法。abcdefg3 3）测量更微弱的振动时，）测量更微弱的振动时，可以用环氧树脂或瞬干胶可以用环氧树脂或瞬干胶将传感器牢牢地胶于检测将传感器牢牢地胶于检测点上。点上。如图如图f f、g g第四章

27、速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器4.4.压电式加速度传感器的安装与使用压电式加速度传感器的安装与使用 理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具理论上压电加速度传感器应与被测振动体刚性连接。但在具体使用中，有如下几种方法。体使用中，有如下几种方法。abcdefg4 4）在对许多测试点进行）在对许多测试点进行定期巡检时，也可采用手定期巡检时，也可采用手持探针式加速度传感器。持探针式加速度传感器。使用时，用手握住探针，使用时，用手握住探针，紧紧地抵触在检测点上。紧紧地抵触在检测点上。如图如图d d。 此方法方便，但测量

28、误此方法方便，但测量误差较大，重复性差，频率差较大，重复性差，频率上限将降低到上限将降低到1000Hz1000Hz以以下。下。如图如图f f、g g第四章 速度、加速度传感器第二节第二节 加速度传感器加速度传感器 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器4. 4. 加速度与力复合型传感器加速度与力复合型传感器在对机械结构进行激振试验时，为了测量机械结构每一部位的阻在对机械结构进行激振试验时，为了测量机械结构每一部位的阻抗值抗值( (力和响应参数的比值力和响应参数的比值) )，需要在结构的同一点上激振并测定，需要在结构的同一点上激振并测定它的响应。阻抗头就是专门用来传递激振力和测定激振点的受力它的响应。阻抗头就是专门用来传递激振力和测定激振点的受力及加速度响应的特殊传感器。及加速度响应的特殊传感器。 它集压电式力传感器和压电式加速度传感器为一体它集压电式力传感器和压电式加速度传感器为一体第四章 速度、加速度传感