振动测量传感器的发展现状重点

现代计量测试1997年第5期

振动测量传感器的发展现状

谷毅

(中国计量科学研究院,

摘要:、和分析, 。

进入九十年代以来, 随着半导体加工工艺的日完美, 微电子技术的迅速发展, 微机化机械加工技术和工艺的不断更新, 现代振动与冲击测量传感器正朝着更小、更轻、更价廉物美、更高可靠性和更坚固耐用的方向发展。也正是因为具有了这些优点, 才使得振动传感器在更多的领域得以应用。航空、航天等尖端技术的发展促进了振动测量传感器的研制与开发, 采用新的微工艺加工的振动传感器无疑是对原有传感器的一次重大变革。而与此同时, 传统的压阻、压电式加速度传感器的加工水平也在不断改进提高, 这就使得测振传感器的发展和应用有了更广阔的空间。

二、加速度传感器

加速度传感器的应用几乎涉及了所有现代化工业领域, 其中包括航空、航天、船舶制造、建筑、交通、能源工业、化工、机械和军工, 它是结构模态分析、振动性能试验、振动控制工程所必需的基础元件。

11微电容式加速度传感器

图1微电容式加速度传感器结构原理图图1所示的结构是微电容式加速度传感器中最常用

的一种。这种采用差动电容式原理的设计提高了传感器

的灵敏度和抗干扰能力。将微结构的质量块沉积在牺牲

层的多晶硅膜上, 并经化学蚀刻形成。两固定电极是在玻

璃板表面上测射沉积的一层金属。此外, 质量块表面也需

进行金属化处理, 这样它与两固定电极之间便形成了具

有公共电极的两个电容。上述所有步骤都是在微米量级

的加工下完成的。当有加速度运动时, 两个电容的电容量发生差动变化, 输出一个正比于加速度的电信号, 而这一

电信号经一个与之一体的厚膜放大器放大后输出。

传感器的重量仅10克左右, 并且具有-55～+125℃的工作温区, 测量范围

<±500m s 2, 工作

频率范围为0～2kH z , 灵敏度则高达1000mV g 以上。

它除了可以很方便地与计算机联机对汽车、火箭、机车等结构进行模态分析和测试外, 还可以用在电梯性能方面的测试。生产这类传感器的主6

要厂家有美国的AD 公司、法国的C rouzet 公司和瑞士的K istler 公司等。

21微应变式加速度传感器

微应变式加速度传感器又称为压阻式加速度传感器。

这类传感器是在应变计式传感器的基础上发展而成的, 即

通过微电子技术将压敏电阻用离子注入法注入于硅片上,

并用化学药剂蚀刻的悬臂梁构成质量——弹簧系统, 如图

2所示。当被支撑的硅质量系统运动造成梁内的应力变化

使梁端压敏电阻阻值发生变化时, 的微放大器输出这一应变加速度信号。带放大器, ～+10001000m s 2; 灵敏度1000mV g 以下。

这里尤其要提。因此, 除了进行结构模态、运输振动监控、工业振动监控和机床振动监控等众多领域。生产这类传感器的厂家有美国EG&G公司、美国Endevco 公司等。

31石英振梁式加速度传感器

图3

石英振梁式加速度传感器结构原理图石英振梁式加速度传感器是利用石英振梁或称

石英谐振器作为加速度的检测元件, 其典型结构如

图3所示。它与压阻式悬臂梁结构所不同的是, 振梁

本身即是敏感元件。在受外力作用后, 梁的电荷极性

和电荷量发生变化, 这一变化经与之一体的放大器

放大后输出与之成正比的电信号。用这一原理设计

的加速度传感器可以做得非常小巧, 重量仅有5克左

右。它还可以设计成差动输出方式。其主要技术性能如下:测量范围±500m s 2; 工作频率范围015H z

～5kH z ; 温度范围0～+65℃; 灵敏度1000mV g 。

这类传感器也有很多应用领域, 不仅能用来测试线加速度同时还能够测量角加速度。生产这类传感器的厂家有瑞士K istler 公司、美国Sundstrand 公司等。

41静电力平衡式加速度传感器

图4静电力平衡式加速度传感器结构原理图

静电力平衡式加速度传感器利用力平衡回路产生

的静电力来平衡加速度所引起的作用在检测质量上的

惯性力。闭环式的工作方式使这类传感器克服了交叉耦

合误差, 而且由于静电力的大小与所施电场强度的平方

成正比, 所以它有很高的灵敏度和抗干扰能力。图4是这

类加速度传感器的典型方案。它的结构与差动电容式结

构大致相同, 只是电路上增加了静电力平衡回路和检测

输出电路。生产这类传感器的厂家有美国N o rthop 公

司, B ell A ero space 公司, 法国C rouzet 公司等。除了上述几种产品化的新型加速度传感器, 目前正

在开发的加速度传感器还有很多, 例如超导加速度传感器, 光纤加速度传感器, 摆式积分陀螺加速

7

度传感器等。加速度测量做为动态测量中一个非常重要的技术指标, 其测试精度或不确定度的大小主要取决于传感器的技术指标, 所以要求加速度传感器具有高灵敏度、宽频率范围和宽工作温区。除此之外, 还有很多环境条件和技术指标的要求。

三、速度传感器

对于机械振动测量而言, , 、发机电、大型鼓风机、飞机发动机、空气压缩机和兵器等, , 同时它还具备以下优点:

11, 。

21, 3。

, 即线圈和磁铁。尽管在结构上有惯性式和直接式(或称绝对式与相对式及动圈型和动钢型之分, 但在加工工艺方面却有了根本性的突破。如美国CEC 公司生产的CEC 4-130型传感器采用了先进的陶瓷耐磨系统, 大大提高了使用寿命, 可连续工作12000小时。

这类传感器的结构原理决定了它的动态范围和工作频率范围, 即它必须工作在其固有频率以上, 通常是10H z 左右, 上限能达到2kH z 。测量范围小于1m s 。