- 賽事資訊
- 職教新聞
- 新聞專題
- 汽修專業(yè)
- 數(shù)控專業(yè)
- 電子專業(yè)
- 加工制造
- 機(jī)電專業(yè)
- 模具專業(yè)
- 電氣信息
- 旅游管理
- 建筑專業(yè)
- 信息技術(shù)
- 化工專業(yè)
- 機(jī)械制造
- 財(cái)經(jīng)專業(yè)
- 餐飲專業(yè)
- 酒店專業(yè)
- 商貿(mào)專業(yè)
- 醫(yī)藥衛(wèi)生
- 地質(zhì)勘察
- 交通土建
- 財(cái)經(jīng)商貿(mào)
- 鐵道工程
- 服裝設(shè)計(jì)
- 基礎(chǔ)課程
- 美容美發(fā)
- 農(nóng)林牧漁
- 包裝印刷
- 材料能源
- 法學(xué)專業(yè)
- 公共事業(yè)
- 生物工程
- 市場(chǎng)營銷
- 資源環(huán)境
- 機(jī)器人
- 無人機(jī)
- 通用性技能知識(shí)
- 綜合
當(dāng)前位置:首頁 > 文章資訊 > 電子專業(yè) > 深度干貨|加速度傳感器的基本種類及其選型方法概述
深度干貨|加速度傳感器的基本種類及其選型方法概述
引言:加速度傳感器是工程振動(dòng)測(cè)量中的最重要因素。在測(cè)試系統(tǒng)中,傳感器是數(shù)據(jù)采集分析的第一環(huán)節(jié),因此,能否正確選擇和使用傳感器將直接影響到測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量和精度。雖然從事工程振動(dòng)的人員都知道這個(gè)概念,但在實(shí)際應(yīng)用中卻往往因?yàn)楦鞣矫娴脑蚨鵁o法正確判斷傳感器是否真實(shí)反映了被測(cè)信號(hào)。另一方面在科技不斷發(fā)展的趨勢(shì)下,環(huán)境模擬的試驗(yàn)條件要求越來越高,與之對(duì)應(yīng)傳感器的技術(shù)指標(biāo)也不斷提高,從而使之前廣泛應(yīng)用的單一標(biāo)準(zhǔn)傳感器發(fā)展到如今類別的多樣化,也對(duì)工程人員在應(yīng)對(duì)不同試驗(yàn)要求的傳感器選擇上增加了相應(yīng)的難度。
本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《中國檢驗(yàn)檢測(cè)》2019年第4期,作者徐文駿(上海航天電子有限公司/上海科學(xué)儀器廠),版權(quán)歸《中國檢驗(yàn)檢測(cè)》編輯部所有。
1傳感器的種類
加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力,將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是個(gè)常量,比如g,也可以是變量。加速度計(jì)有兩種:一種是角加速度計(jì),是由陀螺儀(角速度傳感器)的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
加速度傳感器可應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表;手柄振動(dòng)和搖晃、玩具、鼠標(biāo);汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng);結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視;工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、地震檢測(cè);鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析;高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。
目前市場(chǎng)中常見的加速度傳感器分為三大類別,分別為壓電式、壓阻式和電容式。
1.1壓電式
壓電式加速度傳感器的構(gòu)造是利用了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力,壓電材料受此力作用后沿其表面形成與此力成正比的電荷信號(hào),從而能采集到數(shù)據(jù)。
壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及不需要外界電源等特點(diǎn),是目前被工程人員使用最為廣泛的振動(dòng)測(cè)量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器相對(duì)來說結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,誕生時(shí)間也較長(zhǎng),但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān),因此,在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比,其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。
1.2壓阻式
壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成的電阻測(cè)量電橋,其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?,F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻式敏感芯體的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測(cè)量要求。在靈敏度和量程方面,從低靈敏度高量程的沖擊測(cè)量,到直流高靈敏度的低頻測(cè)量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測(cè)量頻率范圍也可從直流信號(hào)到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。壓阻式傳感器的最大亮點(diǎn)就是超小型化的設(shè)計(jì),可以在很多狹小的空間內(nèi)使用。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性,但對(duì)某個(gè)特定設(shè)計(jì)的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大,使用的傳感器都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面,使用特殊敏感芯體制造的壓阻式傳感器成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器,通常要達(dá)到好幾倍以上。
1.3電容式
電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式也采用了彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值產(chǎn)生變化。電容式加速度計(jì)與其他類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適用性好等特點(diǎn),尤其是受溫度的影響比較小,能夠運(yùn)用于很多現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境苛刻的數(shù)據(jù)采集;但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性,量程有限,并且受電纜的電容影響,因?yàn)殡娙輦鞲衅鞅旧硎歉咦杩剐盘?hào)源,因此,輸出信號(hào)往往需要通過后繼電路給予改善,對(duì)屏蔽電纜線有著很高的使用要求。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器大多用于低頻測(cè)量,其通用性遠(yuǎn)不及壓電式加速度傳感器,且成本也要比壓電式加速度傳感器高出許多倍。
2壓電式加速度傳感器的敏感芯體材料和結(jié)構(gòu)形式
2.1壓電材料
壓電材料一般可以分為兩大類,即壓電晶體和壓電陶瓷。壓電型加速度計(jì)最常用的壓電晶體材質(zhì)為石英,因?yàn)槭⒌牟牧咸匦允枪ぷ鳒囟确秶鷮?,性能穩(wěn)定,所以在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常被用作標(biāo)準(zhǔn)傳感器的壓電材料。
由于石英的壓電系數(shù)比其他壓電材料低很多,所以通用型的壓電傳感器都采用壓電陶瓷作為主材料。陶瓷中的鋯鈦酸鉛是目前壓電加速度計(jì)中最經(jīng)常使用的壓電材料。其特點(diǎn)為具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn),各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度時(shí)間外界條件的變化相對(duì)較小。如圖1所示。
圖1石英壓電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
但是就同一種的壓電陶瓷而言,雖然都具有相同的基本特性,但由于制作工藝不同可以使兩個(gè)相同材料的壓電陶瓷的具體性能指標(biāo)相差甚大。這種現(xiàn)象在國產(chǎn)傳感器和進(jìn)口傳感器的互相比較上尤為明顯。兩者雖然材料不同,但是在構(gòu)造上卻是近似一致。如圖2所示。
圖2陶瓷壓電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.2傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)形式
壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質(zhì)量塊組成,當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個(gè)與加速度成正比并加載到壓電材料上的力,而壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的電荷信號(hào)。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應(yīng)力也可以是剪應(yīng)力,壓電材料產(chǎn)生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據(jù)壓電材料不同的受力方法,常用傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)一般有以下三種形式:
a)壓縮形式:壓電材料受到壓縮或拉伸力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單方便,能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測(cè)量范圍。而最大的缺點(diǎn)是不能有效地排除各種干擾對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。
b)剪切形式:通過對(duì)壓電材料施加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上來說在剪切力作用下的壓電材料所產(chǎn)生的電荷信號(hào)受外界干擾的影響甚小,因此,剪切結(jié)構(gòu)形式是最適合廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實(shí)際制造過程中,要確保剪切敏感芯體的加速度計(jì)具有較高和穩(wěn)定的頻率測(cè)量范圍卻是傳感器制造工藝中最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。要得到高參數(shù)指標(biāo)只能采用進(jìn)口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測(cè)量范圍。
c)彎曲變形粱形式:壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形粱結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號(hào),也較容易實(shí)現(xiàn)控制阻尼;但因?yàn)槠錅y(cè)量頻率范圍低,更由于此結(jié)構(gòu)不能排除因溫度變化而極易產(chǎn)生的信號(hào)漂移,所以此結(jié)構(gòu)在壓電型加速度計(jì)的設(shè)計(jì)中很少被采用。
3壓電式加速度傳感器的信號(hào)輸出形式
3.1電荷輸出型
傳統(tǒng)的壓電加速度計(jì)通過內(nèi)部敏感芯體輸出一個(gè)與加速度成正比的電荷信號(hào)。實(shí)際使用中傳感器輸出的高阻抗電荷信號(hào)必須通過二次儀表將其轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓信號(hào)才能讀取。由于高阻抗電荷信號(hào)非常容易受到干擾,所以傳感器到二次儀表之間的信號(hào)傳輸必須使用低噪聲屏蔽電纜。由于電子器件的使用溫度范圍有限,所以高溫環(huán)境下的測(cè)量一般還是使用電荷輸出型。
3.2 IEPE輸出型
IEPE型壓電加速度計(jì)既工程人員稱之的ICP型壓電加速度計(jì),也稱為低阻抗電壓輸出型加速度計(jì)。
壓電傳感器換能器輸出的電荷通過裝在傳感器內(nèi)部的前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓輸出,而IEPE型傳感器則為二線輸出形式,采用恒電流電壓源供電,直流供電和信號(hào)使用同一根線的方式,因?yàn)橹绷麟姴糠衷诤汶娏麟娫吹妮敵龆诵枰ㄟ^高通濾波器濾去雜波信號(hào)。
IEPE型傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)和測(cè)量距離遠(yuǎn),特別是隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)有很多新型的數(shù)采系統(tǒng)很多都已配備恒流電壓源,因此,IEPE傳感器能與數(shù)采系統(tǒng)直接相連而不需要任何其他二次儀表,在振動(dòng)測(cè)試中IEPE傳感器已逐漸取代傳統(tǒng)的電荷輸出型壓電加速度計(jì)。
4小結(jié)
加速度傳感器隨著科技的發(fā)展,種類不斷的增多,從最早的進(jìn)口制造商B&K,到現(xiàn)在國產(chǎn)的制造商B&W,光是力學(xué)傳感器的種類以及超過了3位數(shù),并且隨著科技的發(fā)展,越來越多的苛刻試驗(yàn)的順勢(shì)而生,傳感器的原理、分類以及適用性是工程人員所要了解的必修課,只有了解透徹,才能更好的完成試驗(yàn)工作。
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于深度干貨|加速度傳感器的知識(shí)技巧了,學(xué)習(xí)以上的深度干貨|加速度傳感器的基本種類及其選型方法概述知識(shí),對(duì)于深度干貨|加速度傳感器的幫助都是非常大的,這也是新手學(xué)習(xí)電子專業(yè)所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù),我們會(huì)有專業(yè)的人士來為您解答。
本站在轉(zhuǎn)載文章時(shí)均注明來源出處,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,未用于商業(yè)用途。如因本站的文章、圖片等在內(nèi)容、版權(quán)或其它方面存在問題或異議,請(qǐng)與本站聯(lián)系(電話:0592-5551325,郵箱:help@onesoft.com.cn),本站將作妥善處理。
深度干貨|加速度傳感器課程推薦
電子專業(yè)熱門資料
電子專業(yè)技術(shù)文檔
- 1?呼和浩特工務(wù)段卓資東高鐵實(shí)訓(xùn)場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目議價(jià)采購二次公告
- 2鐵小微帶你看:大南鐵國家高鐵實(shí)訓(xùn)基地,超牛!
- 3尚義職教中心首屆高鐵專業(yè)學(xué)生赴北京實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)
- 4技能展示 | 高鐵專業(yè)實(shí)訓(xùn)技能展示
- 5磨礪青春、出彩中職——高鐵專業(yè)實(shí)訓(xùn)風(fēng)采
- 6陜西長(zhǎng)城鐵路技師學(xué)院,一所把高鐵實(shí)訓(xùn)搬進(jìn)課堂的高等院校
- 7喜訊!喜訊!1:1仿真高鐵實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)入梧州電子科技學(xué)校
- 8云南工程職業(yè)學(xué)院高鐵實(shí)訓(xùn)基地建成啟用
- 9高鐵實(shí)訓(xùn)課走進(jìn)無錫東站!
- 10職教標(biāo)準(zhǔn)I高等職業(yè)學(xué)校城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)