從設(shè)計原理上詳細介紹加速度傳感器的特性(共7頁)

1、加速度傳感器性能、特性(txng)詳細介紹一、原理(yunl)及應用為什么用加速度傳感器？ 在各種工程領(lǐng)域中，在各種結(jié)構(gòu)物和各種機器的開發(fā)、試驗和運行監(jiān)測中，沖擊和振動測量是至關(guān)重要的。加速度傳感器具有測量精度高，頻率和幅值響應寬，體積小，重量輕，壽命長，易于安裝等優(yōu)點(yudin)而廣為采用。endevco是唯一的能同時提供壓電式加速度傳感器、集成電路壓電式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器、變電容式加速度傳感器的廠家。 傳感器與信號調(diào)理器傳感器：將感受到的物理量作為輸入并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成測量所需物理量后輸出的一種裝置。它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 信號調(diào)理器：將傳感器的輸出信號進行阻抗變

2、換，放大，濾波，歸一化，數(shù)字化等處理統(tǒng)稱為信號調(diào)理，顧名思義，適調(diào)（Conditioning）意指根據(jù)測試和后續(xù)讀顯，數(shù)據(jù)采集，記錄儀器的要求對信號進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，實現(xiàn)上述功能的儀器稱為信號調(diào)理器（Signal Conditioner），必要時信號調(diào)理器還有供電，積分，平衡，校準，過載指示，電平檢測等功能。 機電傳感器將被測的機械量（應變，力，運動等）；按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電量或電參數(shù)量的一種裝置。用于振動和沖擊的有： 1）壓電加速度傳感器；2）集成電路壓電加速度傳感器；3）壓阻加速度傳感器；4）可變電阻傳感器；5）可變電容傳感器；6）應變計；7）可變磁阻傳感器； 8）磁致伸縮傳感器；9）電渦流式

3、傳感器；10）動圈式傳感器；11）電感傳感器； 12）壓力傳感器；13）力傳感器；14）阻抗頭。慣性傳感器利用慣性系統(tǒng)中有關(guān)元件的相對運動產(chǎn)生輸出信號的傳感器。 （見國家標準GB/T 2298-80） 由單自由度系統(tǒng)中質(zhì)量與基座的相對運動而產(chǎn)生與基座運動成比例的輸出信號的傳感器。 壓電式(PE)加速度傳感器壓電電子學定義： 壓電加速度傳感器采用了質(zhì)量彈簧結(jié)構(gòu)，它產(chǎn)生的作用力與振幅和頻率成正比，作用到壓電陶瓷上，使其末端產(chǎn)生電荷，它是自發(fā)電式，不需外接電源，可在極高極低溫度下工作，結(jié)構(gòu)牢固性好。 石英是天然壓電材料，靈敏度低，常用的是人造的鐵電材料，由人工極化可獲得高靈敏度、高工作溫度和輸出穩(wěn)定

4、性。Endevco的壓電元件采用人工極化，具有高穩(wěn)定性。 壓電式加速度傳感器在加速度傳感器設(shè)計中采用了各種結(jié)構(gòu)型式：壓縮式和單端壓縮式（SEC）通過中心螺柱上的質(zhì)量塊M給敏感元件K施加預緊力，敏感元件可看作彈簧。 特點：靈敏度高，共振頻率高； 適合(shh)于一般用途?；?j zu)隔離式通過特定外型的底座(dzu)來隔離各種非振動環(huán)境。 特點：大大地減小了底座各種耦合因素的影響，減小了底座應變和瞬態(tài)溫度的影響，使加速度傳感器更適合于低振級測量。環(huán)形剪切式環(huán)形質(zhì)量塊緊緊地固定在環(huán)形敏感元件的外周邊，以產(chǎn)生剪切力。 特點：尺寸小、重量輕、適用于沖擊測量和輕型結(jié)構(gòu)物的測量，敏感元件與基座做到了很

5、好的隔離，因此對基座彎曲和環(huán)境噪聲不敏感。敏感元件承受剪切可大大減小瞬變溫度產(chǎn)生熱電效應的靈敏程度。中心孔安裝環(huán)形剪切式采用中心孔安裝的環(huán)形剪切式設(shè)計的加速度傳感器大大地方便了安裝。 特點：可將接線頭定位在最為方便的方向上。隔離剪切式通過安裝螺釘將平片狀壓電敏感元件疊堆裝到中心立柱上，這是最新式的剪切設(shè)計形式。 特點：采用多片敏感元件和補償元件，可獲得更寬的靈敏度范圍和溫度范圍?？刹捎酶鞣N敏感元件，以獲得最佳的溫度穩(wěn)定性，在各種環(huán)境條件下獲得最高的信噪比。集成電路壓電（IEPE）加速度傳感器Endevco公司將帶有內(nèi)裝電路的壓電加速度傳感器稱之為ISOTRON，其電增益可用來減小傳感器尺寸和增

6、加靈敏度。可帶內(nèi)裝電子濾波器來調(diào)節(jié)傳感器頻響或抑制其機械共振以適應某些特殊要求。它可以用銲針代替同軸插座，從而減小了尺寸，降低了造價，應用也較靈活。壓阻(PR)加速度傳感器壓阻電子學定義： 壓阻式（PR）應變元件為固態(tài)硅電阻，其電阻值與作用于它的機械應力成正比。傳統(tǒng)設(shè)計中，單個的應變片機械地被粘貼到懸臂梁上，將其電連接成惠斯登電橋。它所產(chǎn)生的電信號與振動運動成正比。與金屬絲應變片相比，壓阻式應變片的機械遲滯小得多，靈敏度高幾個數(shù)量級。這種整體式傳感器是由微機械加工制成的，這樣可使擴散硅應變片和加速度傳感器的機械元件生成在同一塊硅片中，無需環(huán)氧粘貼等機械連接，具有極好的可靠性和線性，硅材料具有極

7、高的屈服強度和壓阻系數(shù)，傳感器的設(shè)計應力值較低，可使其經(jīng)久耐用，且信噪比極高。 Endevco壓阻加速度傳感器 具有零頻響應是壓阻式加速度傳感器的優(yōu)點，從而極適合于測量運輸振動、汽車碰撞研究和爆炸試驗中的長持續(xù)時間脈沖。它使用外接電源，輸出阻抗低，靈敏度高，輸出信號不需要再放大，可縮小尺寸，且用作標準。應用翻轉(zhuǎn)法或旁路分流法可進行校準。 變電容式（VC）加速度傳感器 Endevco稱之為Microtron系列的加速度傳感器中采用了變電容原理測量加速度。用微機械加工的辦法在同一硅片上制成每個敏感元件，并將其連接成平行板電容裝置。它具有零頻響應，穩(wěn)定的阻尼特性，極寬的頻率響應，在極高的加速度過載條

8、件下仍堅固耐用。內(nèi)部電路提供低阻抗的不隨溫度變化的輸出信號。它適用于彈道監(jiān)測，飛機/車輛結(jié)構(gòu)評價，顫振試驗，汽車支撐，剎車系統(tǒng)試驗和其它的低頻高精度測量之處，具有獨到的優(yōu)越性能。二、各種( zhn)加速度傳感器的性能特性壓電式加速度傳感器 自發(fā)電式傳感器，輸出(shch)電荷與所感受的加速度成正比 頻率響應(pn l xin yn)寬，動態(tài)范圍大 尺寸小，重量輕，易于安裝 精確度高，穩(wěn)定性好，壽命長 具有極寬的工作溫度范圍和極高的信噪比集成電路式壓電加速度傳感器低阻抗電壓輸出，輸出信號大 對各種環(huán)境因素的影響不敏感 對電纜和接頭帶來的干擾不敏感 用雙線電纜雙向傳輸，可同時供電和傳輸信號 可使用

9、長電纜遠距離傳輸信號 結(jié)構(gòu)簡單，造價低適合于工程現(xiàn)場的需要壓阻式加速度傳感器需要外加電源提供所需激勵電壓或電流 能測量頻率低到零的信號，而不會產(chǎn)生相位失真 輸出阻抗低，輸出電平高，內(nèi)在噪聲低，易于適調(diào) 對電磁和靜電干擾不敏感 對基座應變和熱瞬變不敏感 受大沖擊加速度作用時沒有零點漂移 可用翻轉(zhuǎn)法或并聯(lián)法進行校準變電容式加速度傳感器 具有零頻響應，可用于測量穩(wěn)態(tài)加速度，低頻低g值下的振動，也可用于測量持續(xù)時間長的沖擊運動 靈敏度高，抗環(huán)境振動和沖擊的能力強 對溫度不敏感，穩(wěn)定性好，線性度高 尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)牢固 采用氣體阻尼，內(nèi)裝過量程限止器 三、工作特性壓電式加速度傳感器 為了得到高度真實

10、的試驗數(shù)據(jù)，使用者應當全面地了解所用儀器的工作特性，這些特性是怎樣互相影響的，整個環(huán)境對這些特性是如何(rh)影響的，以及加速度傳感器對被測運動是如何影響的。 加速度傳感器是關(guān)鍵的測量元件，有多種設(shè)計型式(xn sh)供選用。每種設(shè)計型式都為某些特定用處設(shè)計的，目的是為獲得高保真的測量數(shù)據(jù)。 工程師們應認真地分析測量(cling)的要求，選用最合適的加速度傳感器，通常要在靈敏度，重量和頻響范圍三者之間比較，做出最合適的選擇。傳感器主要工作特性分為有效響應與亂真響應兩類。 有效響應 effective response 在傳感器靈敏軸方向上，由輸入的機械振動或沖擊所引起的傳感器的響應。這種響應是

11、正確使用傳感器進行測量，取得可靠數(shù)據(jù)所期望的。 有效響應主要有： 靈敏度； 幅頻響應和相頻響應； 非線性度。 亂真響應 spurious response 在使用傳感器測量機械振動或沖擊時，由同時存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應。這種響應是干擾正確測量的，是不期望的。 （見國家標準 GB/T 13823.1-93） 亂真響應主要有： 溫度響應； 瞬變溫度靈敏度； 橫向靈敏度； 旋轉(zhuǎn)運動靈敏度； 基座應變靈敏度； 磁靈敏度； 安裝力矩靈敏度； 對特殊環(huán)境的響應。 （見國家標準 GB/T 13823.1-93） 靈敏度：（Sensitivity） 指定的輸出量與指定的輸入量之比。參考靈敏度：

12、（Reference Sensitivity） 在給定的參考頻率和參考幅值下傳感器的靈敏度值。 傳感器靈敏度越高，測量系統(tǒng)的信噪比就越大，系統(tǒng)就不易受靜電干擾或電磁場的影響。對某種具體的加速度傳感器設(shè)計型式來說，靈敏度越高，則傳感器越重，共振頻率也越低。因此選用多大靈敏度受其重量和頻率響應的制約。一般情況下，傳感器的靈敏度包括幅值與相位兩個信息，是隨頻率變化的復數(shù)量。幅頻響應和相頻響應 在輸入的機械振動量值不變的情況下，傳感器輸出電量的幅值隨振動頻率的變化，稱為幅頻響應。而輸出電量的相位隨振動頻率的變化，稱為相頻響應。 在工作頻段內(nèi)連續(xù)地改變振動頻率，且維持輸入的機械振動量幅值不變，同時觀測傳

13、感器的輸出，便可測定幅頻響應。若同時測量傳感器輸出電量與輸入機械振動量間的相位差，則又可測定相頻響應。 一般情況下，只要求知道幅頻響應。在接近傳感器上、下限頻率(pnl)處使用傳感器，或有要求時，則必須知道相頻響應。 非線性度 在給定的頻率和幅值范圍內(nèi)，輸出量與輸入量成正比，稱為線性變化。實際傳感器的校準(jio zhn)結(jié)果與線性變化偏離的程度，稱為該傳感器的非線性度。 在由最小值到最大值的傳感器動態(tài)范圍內(nèi)，逐漸增大輸入的機械振動量，同時測量傳感器輸出(shch)幅值的變化，便可測定傳感器的輸出值與線性輸出值的偏差量。在使用正弦振動發(fā)生器進行測定時，可在傳感器的工作頻率范圍內(nèi)選定幾個頻率進行

14、，以覆蓋傳感器整個動態(tài)范圍。 一般在傳感器動態(tài)范圍的上限附近傳感器的輸出值與線性值的偏差量最大。所允許的偏差量取決于具體測量的要求。 對壓電加速度傳感器，一般用在一定的加速度范圍內(nèi)，其靈敏度增加的百分數(shù)來表示非線性度。壓阻式，變電容式加速度傳感器在其動態(tài)范圍內(nèi)線性度較好，它代表了非線性、滯后和非重復性的綜合值。 質(zhì)量負載的影響 如果加速度傳感器的動態(tài)質(zhì)量接近被測結(jié)構(gòu)物的動態(tài)質(zhì)量，則會使振動產(chǎn)生明顯的衰減。為此在諸如印刷電路板等又薄又輕的片狀構(gòu)件上測振時，為了得到準確的數(shù)據(jù)必須采用重量輕的加速度傳感器。如果被測物件呈現(xiàn)單自由度的響應，則加速度傳感器將使其共振頻率下降。在所有的模態(tài)試驗中必須使用微

15、型加速度傳感器。 低頻響應 使用壓電加速度傳感器時，所用放大器低頻截止頻率多為25Hz，目的是以此來剔除許多壓電傳感器的熱釋電輸出。像隔離剪切式設(shè)計等隔離性好的設(shè)計型式可用在較低的頻率。壓阻式和變電容式加速度傳感器則具有零頻響應。高頻響應 加速度傳感器的高頻響應隨加速度傳感器的機械性能和安裝方法而變。在安裝牢固時，大多數(shù)加速度傳感器呈現(xiàn)無阻尼單自由度系統(tǒng)的頻響特性。以5為要求的話，其頻率響應約平整到安裝共振頻率的五分之一。如果加適當?shù)男拚驍?shù)，則可在更高的頻率上得到有用的數(shù)據(jù)。溫度響應 傳感器靈敏度隨溫度的變化(binhu)，稱為傳感器的溫度響應。用測試溫度下的靈敏度與室溫下的靈敏度之差相對于

16、室溫靈敏度的百分數(shù)來表示。 常用(chn yn)壓電加速度傳感器的溫度范圍為零度以下至177C 或 260C。某些特定(tdng)型號，低溫可達絕對零度，高溫可達760C。很多種壓電加速度傳感器設(shè)計型式在很寬的溫度范圍內(nèi)的溫度響應很平。壓阻式、變電容式加速度傳感器的典型溫度范圍為18C93C。 壓電傳感器的瞬變溫度靈敏度 具有熱釋電效應的傳感器在瞬變溫度作用下將產(chǎn)生電輸出，該輸出的最大值與傳感器靈敏度和溫度改變量乘積的比值稱為瞬變溫度靈敏度。 在溫度產(chǎn)生變化時，壓電元件會產(chǎn)生輸出信號，這稱之為熱釋電效應。試件或氣流溫度的突變會引起這種溫度變化。大多數(shù)情況下這種效應是很低頻的，只有信號適調(diào)儀的響

17、應在1赫以下，才能檢測到。如果信號適調(diào)儀有級間高通濾波器，則應特別注意，熱釋電信號可能會使放大器飽和，使它短時間不工作。 基座隔離式，剪切式，隔離剪切式設(shè)計的熱釋電效應較小。壓阻式，變電容式的這種效應是可以忽略的。橫向靈敏度 對于單向測量來說，要求加速度傳感器不得對被測物體的橫向運動產(chǎn)生任何響應是十分必要的。但加速度傳感器不可能是完美無缺的，總是有一定的橫向靈敏度，它與橫向振動的方向有關(guān)，其橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的15。endevco對每個加速度傳感器進行橫向靈敏度校準并給出其最大值。橫向靈敏度比 在與傳感器靈敏軸垂直的方向上受到激勵時傳感器的靈敏度，稱為橫向靈敏度。橫向靈敏度與沿靈敏軸方

18、向上的靈敏度之比，稱為橫向靈敏度比。旋轉(zhuǎn)運動靈敏度 某些直線振動傳感器對旋轉(zhuǎn)運動是敏感的。在進行試驗時必須小心。以免造成測量誤差?；鶓冹`敏度 在傳感器基座產(chǎn)生應變時會引起不應有的信號輸出，該輸出值與傳感器靈敏度和應變值乘積的比值，稱為基座應變靈敏度。 在某些試驗中，加速度傳感器安裝處可能會存在動態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等。由于與應變區(qū)緊密接觸，加速度傳感器底座也會發(fā)生應變。部分應變會傳給敏感元件，從而產(chǎn)生與振動運動無關(guān)的輸出信號。 剪切式設(shè)計的加速度傳感器要比壓縮式的對基座應變的敏感程度小一個數(shù)量級。應用絕緣安裝(nzhung)螺釘或粘貼式轉(zhuǎn)接件可以減小這種影響。磁靈敏度 傳感器被置于磁場中會產(chǎn)生的不應有的信號輸出，該輸出值與傳感器靈敏度和磁場的磁感應強度乘積的比值(bzh)，稱為傳感器的磁靈敏度。安裝(nzhung)力矩靈敏度 采用螺紋安裝的傳感器，安裝力矩的變化會引起靈敏度發(fā)生變化。施加1/2倍規(guī)定安裝力矩或施加2倍規(guī)定安裝力矩時的靈敏度與施加規(guī)定安裝力矩時的靈敏度之最大差值，相對于施加規(guī)定安裝力矩時靈敏度的比值的百分數(shù)，稱為安裝力矩靈敏度。特殊環(huán)境的響應 在強靜電場、交變磁場、射頻場、聲場、電纜影響、核輻射等的特殊環(huán)境下，某些傳感器會受到嚴重的影響，這些物理因素將引起傳感器產(chǎn)生亂真響應。四、電纜電子儀器之間經(jīng)常用同軸電纜連接，用以屏蔽靜電場感應的噪聲。在對待