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加速度傳感器工作原理及分类

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加速度傳感器工作原理及分类

发布时间:2018-05-25 10:45:18   作者: 南京凱基特電氣有限公司   浏览次数:

  加速度傳感器工作原理及分类

  加速度傳感器是一种能够测量加速力,将加速度转换为电信号的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是个常量,比如g,也可以是变量。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度傳感器)的改进的。另一种就是线加速度计。

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

  加速度傳感器的分类及原理

  根據牛頓第二定律:A(加速度)=F(力)/M(質量)

  只需测量作用力F就可以得到已知质量物体的加速度。利用电磁力平衡这个力,就可以得到作用力与电流(电压)的对应关系,通过这个简单的原理来设计加速度傳感器。

  所以,加速度傳感器的本质是通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形,通过测量其变形并用相关电路转化成电压输出,得到相应的加速度信号。

  加速度傳感器按工作原理又分为四种:

  1、压电式加速度傳感器

  压电式加速度傳感器是基于压电晶体的压电效应工作的。

  某些晶體在一定方向上受力變形時,其內部會産生極化現象,同時在它的兩個表面上産生符號相反的電荷;當外力去除後,又重新恢複到不帶電狀態,這種現象稱爲“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于加速度計的固有頻率時,則力的變化與被測加速度成正比。

  压电式加速度傳感器具有动态范围大、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,是被最为广泛使用的振动测量传感器。

  虽然压电式加速度傳感器的结构简单,商业化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度傳感器不能测量零频率的信号。

  2、压阻式加速度傳感器

  压阻式加速度傳感器是最早开发的硅微加速度傳感器(基于MEMS硅微加工技术),压阻式加速度傳感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块,质量块由悬臂梁支撑,并在悬臂梁上制作电阻,连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动,悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化,引起测量电桥输出电压变化,以此实现对加速度的测量。

  3、电容式加速度傳感器

  电容式加速度傳感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。其中一个电极是固定的,另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移,使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度),还可以进一步测出压力。

  电容式加速度傳感器,具有电路结构简单,频率范围宽约为0~450Hz,线性度小于1%,灵敏度高,输出稳定,温度漂移小,测量误差小,稳态响应,输出阻抗低,输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点,具有较高的实际应用价值。

  但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,受电缆的电容影响,以及电容传感器本身是高阻抗信号源,因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度傳感器较多地用于低频测量,其通用性不如压电式加速度傳感器,且成本也比压电式加速度傳感器高得多。

  4、伺服式加速度傳感器

  當被測振動物體通過加速度計殼體有加速度輸入時,質量塊偏離靜平衡位置,位移傳感器檢測出位移信號,經伺服放大器放大後輸出電流,該電流流過電磁線圈,從而在永久磁鐵的磁場中産生電磁恢複力,迫使質量塊回到原來的靜平衡位置,即加速度計工作在閉環狀態,傳感器輸出與加速度計成一定比例的模擬信號,它與加速度值成正比關系。

  由于有反馈作用,增强了抗干扰的能力,提高测量精度,扩大了测量范围,伺服加速度 测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中,在高精度的振动测量和标定中也有应用。

  5、三轴加速度傳感器

  也是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度傳感器来检测加速度信号。

  由于三轴加速度傳感器也是基于重力原理的,因此用三轴加速度傳感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角,通过校正后期精度要高于双轴加速度傳感器大于测量角度为60度的情况。

  目前的三轴加速度傳感器/三轴加速度计大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化,通过相应的放大和滤波电路进行采集。

  三轴加速度傳感器具有体积小和重量(gm)轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质,在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。