传感器与检测技术第四章-速度加速度传感器PPT课件
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
➢ 加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。 通过测量加速度获取物体的运动状态。例如，惯性导航系统 就是通过飞行器的加速度来测量它的加速度、速度(地速)、 位置、已飞过的距离以及相对于预定到达点的方向等。
➢ 可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负 荷的大小，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控 制其运动加速度，以免机件损坏。
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第四章 速度、加速度传感器
一、压电式加速度传感器
1.压电式加速度传感器原理
（2）剪切型
右图为环形剪切型，结 构简单，能做成极小型、 高共振频率的加速度计， 环形质量块粘到装在中 心支柱上的环形压电元 件上。
第二节 加速度传感器
14
第四章 速度、加速度传感器
一、压电式加速度传感器
1.压电式加速度传感器原理
使预紧力发生变化， 易引起温度漂
移。Leabharlann 10第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
（1）压缩型
第二节 加速度传感器
11
第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
第二节 加速度传感器
（1）压缩型
汽车发动机是利用火花塞跳火将混合气点燃,使火焰在混 合气内不断传播进行燃烧。如果恰当地将点火时间提前一些， 可使气缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使转矩增 大，排污减少，但如果点火时间过早或油品质不好,火焰在传 播途中当压力异常升高时,一些部位的混合气不等火焰传到, 就自己着火燃烧,造成瞬时爆发燃烧,由此引起的气体冲击波 冲击汽缸壁产生金属敲击声种，这现象称为爆震。
y1m
0
ym
1
02
&y&1m
作为加速度计 的条件
6
第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
随着被测频率的变化，该传感器可以成为位移传感器、速度 传感器和加速度传感器。 位移传感器的工作区域为 加速度传感器的工作区域为
速度传感器的工作区域为 ω= ω0
要使加速度传感器的固有频率ω0，尽可能大，可以扩大测量
爆震引起的主要危害有:一是噪音,二是振动。振动很可 能使发动损坏，特别是大负荷条件下这种可能性更大。
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
第二节 加速度传感器
（1）压缩型
将振动传感器旋在气缸的侧壁上。当发生爆震时，传感器产 生共振，输出尖脉冲给汽车发动机电控单元,进而推迟点火时 刻，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震。
其方向与振动加速度方向相反，
原理图
大小由F=ma决定。惯性引起的 弹簧是给压电晶片提供预紧
压力作用在压电晶片上产生电荷。 力的，预紧力不够，加速度
电荷由引出电极引出，由此将振 又比较大时，质量块将与压
动加速度转换成电量。
电晶片产生敲击碰撞；预紧
力也不能太大，否则会引起
压电晶片的非线性误差
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
（2）剪切型
右图为三角剪切形，压 电元件由夹持环将其夹 牢在三角形中心柱上。 加速度计感受轴向振动 时，压电元件承 受切应 力。这种结构对底座变 形和温度变化有极好的 隔离作用，有较高的共 振频率和良好的线性。
第二节 加速度传感器
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 2.压电式加速度传感器的特点
& y & 0 1 2 0y & 0 10 2y 0 1 & y & 1
强迫振动解为 y01ymsin(t)
其中
ym
(0)2y1m [1(0)2]2(20)2
则
ym
(0)2
y1m [1(0)2]2(20)2
arctg12(00)2
2 0
k m
c 2m0
5
第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感 器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量块与外壳之间产生相 对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振 动问题的位移、速度和加速度
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
• 运动方程
m (& y & 0 1 & y & 1 ) c y & 0 1 k y 0 1 0
•
对
y y
1
m m
的讨论
ym
(0)2
y1m [1(0)2]2(20)2
1当
时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时
ym 1 y1m
表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的 振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标
中几乎处于静止状态
作为位移计的条件
2当
时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时
ym ( )2
第二节 加速度传感器
（1）压缩型
在图中，S是弹簧，M是质块，B是
基座，P是压电元件。图a是中央安
装压缩型，压电元件—质量块—弹
簧系统装在圆形中心支柱上，支柱
与基座连接。这种结构有高的共振
频率。然而基座B与测试对象连接
时，如果基座B有变形则将直接影
响拾振器输出。此外，测试对象和
环境温度变化将影响压电元件，并
2
第四章 速度、加速度传感器
加速度测量原理 （以惯性式为例）
第二节 加速度传感器
质量块相对基座的位移与加速度成正比，通过测量该 位移（灵敏度低）或惯性力（灵敏度高）来测量加速度
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
加速度测量原理 （以惯性式为例）
力学模型如图所示。图中 y1表示壳体绝对位移； y0质量块的绝对位移； y01表示壳体与 质块的相对位移。
范围
2 0
k m
减小m即可实现
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
质量块
当传感器与被测振动加速度的机 压电晶片
壳体
件紧固在一起后，传感器受机械 引出电极 运动的振动加速度作用，压电晶
片受到质量块惯性引起的压力，
➢ 在瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的测量中电子加速度计 几乎是唯一手段。
➢ 对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置安装在 运动体上进行测量。
1
第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
加速度测量方法： （1）加速度传感器 （2）速度或位移传感器+微分电路
分类（按原理）：
压电式、电阻式、电感式、电容式、谐振式、光纤式、力 平衡式
第二节 加速度传感器
➢ 加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。 通过测量加速度获取物体的运动状态。例如，惯性导航系统 就是通过飞行器的加速度来测量它的加速度、速度(地速)、 位置、已飞过的距离以及相对于预定到达点的方向等。
➢ 可以通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负 荷的大小，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控 制其运动加速度，以免机件损坏。
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第四章 速度、加速度传感器
一、压电式加速度传感器
1.压电式加速度传感器原理
（2）剪切型
右图为环形剪切型，结 构简单，能做成极小型、 高共振频率的加速度计， 环形质量块粘到装在中 心支柱上的环形压电元 件上。
第二节 加速度传感器
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第四章 速度、加速度传感器
一、压电式加速度传感器
1.压电式加速度传感器原理
使预紧力发生变化， 易引起温度漂
移。Leabharlann 10第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
（1）压缩型
第二节 加速度传感器
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
第二节 加速度传感器
（1）压缩型
汽车发动机是利用火花塞跳火将混合气点燃,使火焰在混 合气内不断传播进行燃烧。如果恰当地将点火时间提前一些， 可使气缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使转矩增 大，排污减少，但如果点火时间过早或油品质不好,火焰在传 播途中当压力异常升高时,一些部位的混合气不等火焰传到, 就自己着火燃烧,造成瞬时爆发燃烧,由此引起的气体冲击波 冲击汽缸壁产生金属敲击声种，这现象称为爆震。
y1m
0
ym
1
02
&y&1m
作为加速度计 的条件
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
随着被测频率的变化，该传感器可以成为位移传感器、速度 传感器和加速度传感器。 位移传感器的工作区域为 加速度传感器的工作区域为
速度传感器的工作区域为 ω= ω0
要使加速度传感器的固有频率ω0，尽可能大，可以扩大测量
爆震引起的主要危害有:一是噪音,二是振动。振动很可 能使发动损坏，特别是大负荷条件下这种可能性更大。
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
第二节 加速度传感器
（1）压缩型
将振动传感器旋在气缸的侧壁上。当发生爆震时，传感器产 生共振，输出尖脉冲给汽车发动机电控单元,进而推迟点火时 刻，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震。
其方向与振动加速度方向相反，
原理图
大小由F=ma决定。惯性引起的 弹簧是给压电晶片提供预紧
压力作用在压电晶片上产生电荷。 力的，预紧力不够，加速度
电荷由引出电极引出，由此将振 又比较大时，质量块将与压
动加速度转换成电量。
电晶片产生敲击碰撞；预紧
力也不能太大，否则会引起
压电晶片的非线性误差
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
（2）剪切型
右图为三角剪切形，压 电元件由夹持环将其夹 牢在三角形中心柱上。 加速度计感受轴向振动 时，压电元件承 受切应 力。这种结构对底座变 形和温度变化有极好的 隔离作用，有较高的共 振频率和良好的线性。
第二节 加速度传感器
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第四章 速度、加速度传感器 一、压电式加速度传感器 2.压电式加速度传感器的特点
& y & 0 1 2 0y & 0 10 2y 0 1 & y & 1
强迫振动解为 y01ymsin(t)
其中
ym
(0)2y1m [1(0)2]2(20)2
则
ym
(0)2
y1m [1(0)2]2(20)2
arctg12(00)2
2 0
k m
c 2m0
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方法），当传感 器外壳跟随振动物体振动时，其内部质量块与外壳之间产生相 对运动。适当选取传感器的结构参数，所测结果将分别反映振 动问题的位移、速度和加速度
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
• 运动方程
m (& y & 0 1 & y & 1 ) c y & 0 1 k y 0 1 0
•
对
y y
1
m m
的讨论
ym
(0)2
y1m [1(0)2]2(20)2
1当
时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时
ym 1 y1m
表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的 振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标
中几乎处于静止状态
作为位移计的条件
2当
时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时
ym ( )2
第二节 加速度传感器
（1）压缩型
在图中，S是弹簧，M是质块，B是
基座，P是压电元件。图a是中央安
装压缩型，压电元件—质量块—弹
簧系统装在圆形中心支柱上，支柱
与基座连接。这种结构有高的共振
频率。然而基座B与测试对象连接
时，如果基座B有变形则将直接影
响拾振器输出。此外，测试对象和
环境温度变化将影响压电元件，并
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第四章 速度、加速度传感器
加速度测量原理 （以惯性式为例）
第二节 加速度传感器
质量块相对基座的位移与加速度成正比，通过测量该 位移（灵敏度低）或惯性力（灵敏度高）来测量加速度
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
加速度测量原理 （以惯性式为例）
力学模型如图所示。图中 y1表示壳体绝对位移； y0质量块的绝对位移； y01表示壳体与 质块的相对位移。
范围
2 0
k m
减小m即可实现
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
一、压电式加速度传感器 1.压电式加速度传感器原理
质量块
当传感器与被测振动加速度的机 压电晶片
壳体
件紧固在一起后，传感器受机械 引出电极 运动的振动加速度作用，压电晶
片受到质量块惯性引起的压力，
➢ 在瞬态、冲击和随机振动等复杂参数的测量中电子加速度计 几乎是唯一手段。
➢ 对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置安装在 运动体上进行测量。
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第四章 速度、加速度传感器
第二节 加速度传感器
加速度测量方法： （1）加速度传感器 （2）速度或位移传感器+微分电路
分类（按原理）：
压电式、电阻式、电感式、电容式、谐振式、光纤式、力 平衡式