第9章加速度传感器及工程应用

1、第9章 加速度传感器及工程应用第第9章章 加速度传感器及工程应用加速度传感器及工程应用9.1 应变式加速度传感器应变式加速度传感器9.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器9.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器9.4 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器9.5 光纤加速度传感器光纤加速度传感器返回主目录第9章 加速度传感器及工程应用9.1 应变式加速度传感器应变式加速度传感器由第4章 4.2节可知，电阻应变片借助于测量电路可以进行力的测量，从而可以构建各式各样的测力传感器。根据牛顿第二定律 可知式中，a为运动物体的加速度；m为运动物体的质量；F为运动物体所受的合力。式(9

2、1)表明，当物体质量m确定后，物体运动的加速度a就与作用在它上面的合力F成正比。由此可知，利用电阻应变片也可以构建加速度传感器。mFa (9 1)第9章 加速度传感器及工程应用9.1.1 基本基本结构结构由电阻应变片构成的加速度传感器结构如图9-1所示。它主要由电阻应变片、质量快、等强度梁及壳体等组成。其中，等强度梁的一端固定在壳体上，另一端为自由端，安装着质量块，4个电阻应变片分别粘贴在等强度梁的上、下两个面上，并组成全桥差动测量电路。图图9-1 应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图第9章 加速度传感器及工程应用9.1.2 测量原理测量原理测量时，将传感器壳体与被测对象刚

3、性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块就受到一个与加速度方向相反的惯性力 作用，使等强度悬臂梁发生应变。该应变与力F成正比，即=K1F，从而使粘贴在悬臂梁上的电阻应变片阻值发生变化。这个阻值的变化经过全桥差动测量电路转变成与应变成正比的电桥不平衡电压Uo输出，即Uo=K2。从而可知输出电压Uo=-K2K1ma。 由此可知，只要测量出这个不平衡电压就可以计算出物体运动的加速度a。第9章 加速度传感器及工程应用9.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器9.2.1 基本基本结构结构 压电式加速度传感器的结构如图9-2所示。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。则质量块m所受的力

4、F是加速度a的函数，即图图9-2 压电式加速度传感器结构示意图压电式加速度传感器结构示意图maF 第9章 加速度传感器及工程应用9.2.2压电式加速度传感器的测量原理压电式加速度传感器的测量原理 测量时，把压电加速度传感器与被测物体刚性连接，当加速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度很大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此，质量块感受与传感器基座相同的振动。这样，质量块m就有一惯性力F作用到压电元件上。由于压电效应，便在压电元件上产生电荷q，其电荷量大小为dmadFq(9-2) 由式(9-4)可知，只要测出加速度传感器的输出电荷量便可知道被测物体振动的加速度

5、。第9章 加速度传感器及工程应用9.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 由差动电容组成的加速度传感器结构如图9-3所示。9.3.1 基本基本结构结构图图9-3 电容式加速度传感器结构示意图电容式加速度传感器结构示意图 它主要有壳体、固定极板和中间有一用弹簧片支撑的质量块组成。其中，此质量块的两个端面磨平抛光，作为差动电容器的动极板。这样，该质量块的两个端面与两块固定极板就组成差动电容器C1和C2。第9章 加速度传感器及工程应用9.3.2 测量原理测量原理 测量时，把电容式加速度传感器与被测物体刚性连接。当传感器壳体随被测物体沿垂直方向做直线加速度运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固

6、定电极将相对于质量块在垂直方向上产生位移x。若两个电容器的初始极距都为d0，初始电容量都为C0=0rA/d0，假设位移x使差动电容C1的极距d1=d0-x，差动电容C2的极距d2=d0+x，那么差动电容C1和C2的表达式分别为0000101/1dxCxdAdACrr0000202/1dxCxdAdACrr(9 4)(9 5)第9章 加速度传感器及工程应用式中，A为动极板与定极板间的有效面积，d1、d2分别为动极板与定极板间的极距。0、r分别为动极板与定极板之间的真空介电常数和相对介电常数。利用差动电容测量电路把位移x测量出来，根据a=d2x/dt2就可以测量出被测加速度a。这就是电容式加速度传

7、感器测量加速度的原理。这种加速度传感器的特点是频率响应快，精度高，量程大。并且多数采用空气或其他气体作为阻尼物质。第9章 加速度传感器及工程应用9.4 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器9.4.1 基本基本结构结构 利用差动变压器构成的加速度传感器结构如图9-4(a)所示，它主要由悬臂梁、螺线管式差动变压器和底座构成。图图9-4 差动变压器式加速度传感器及测量电路方框图差动变压器式加速度传感器及测量电路方框图第9章 加速度传感器及工程应用9.4.2 测量原理测量原理 测量时，将加速度传感器的底座固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测物体以位移x振动时，衔铁也随被测体一起振动

8、，导致差动变压器的输出电压也按相同的规律变化。由于被测振动位移x与振动加速度a的关系是a=d2x/dt2，因此差动变压器的输出电压也与振动加速度有关系。因为差动变压器的输出电压是交流，为了能辨别加速度的方向，还需要相敏检波和滤波测量电路，其框图如图9-4(b)所示。这样就可以得到与振动加速度大小和方向一致的直流输出电压。这就是差动变压器式加速度传感器的测量原理。第9章 加速度传感器及工程应用9.5 光纤光纤加速度传感器加速度传感器9.5.1 基本结构基本结构 利用光纤构成的光纤加速度传感器结构方框图如图9 5所示。它由激光器、分光器、凸透镜、单模光纤、质量快、固定架、干涉探测器和处理电路等组成。图图9-5 光纤加速度传感器测量系统结构光纤加速度传感器测量系统结构第9章 加速度传感器及工程应用9.5.2 测量原理测量原理 由图9-5可知，它采用简谐振子结构形式。激光束通过分光器分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当光纤感受到加速度作用时，由于质量块m对光纤的作用，从