加速度传感器及工程应用

C0 1 x /
d0
(9-4)来自百度文库
C2
0 r A
d2
0 r A
d0 x
C0 1 x / d0
(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。ε0、εr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
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
图9-3 电容式加速度传感器结构示意图
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
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
9.2.1 基本结构
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F是加速度a的函数，即
底座
悬臂梁 B
差动变压器
悬臂梁
A
被测加 速度方向
(a) 加速度传感器结构示意图
振荡器
稳压 电源
相敏 检波器
x
滤
波
输出电压
器
~ 220V
(b) 测量电路方框图及测量振动时的波形图
图9-4 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，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。
二定律 可知
a F m
(9-1)
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(9-1)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。
第9章 加速度传感器及工程应用
9.1.1 基本结构
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。
第9章 加速度传感器及工程应用
9.5 光纤加速度传感器
9.5.1 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。
激光器
分光器
单模参考光纤
固定座
干涉探测器
单模测量光纤
m 质量块
处理电路
显示器
图9-5 光纤加速度传感器测量系统结构
F ma
图9-2 压电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
9.2.2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
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9-1 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
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，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ε=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ε成正比 的 电 桥 不 平 衡 电 压 Uo 输 出 ， 即 Uo=K2ε 。 从 而 可 知 输 出 电 压 Uo=-K2K1ma。
第9章 加速度传感器及工程应用
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 9.2 压电式加速度传感器 9.3 电容式加速度传感器 9.4 差动变压器式加速度传感器 9.5 光纤加速度传感器
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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
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
可以测量出被测加速度a。这就是电容式加速度传感器测量加 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
9.4.1 基本结构
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。
第9章 加速度传感器及工程应用
9.5.2 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，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激 光束由单模光纤射出后与参考光束汇合产生干涉效应。激光 干涉检测器把干涉条纹的移动经光电接收器件转换为电信号， 通过信号处理电路处理后，便可在显示器上正确地显示出加 速度的测量值。
q dF dma
(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。
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
9.3.1 基本结构
由差动电容组成的加速度传感器结构如图9-3所示。 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。
量块在惯性空间中相对静止，两个固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=ε0εrA/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
C1
0 r
d1
A
0 r A
d0 x