压电式加速度传感器 (1).docx

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 传感器原理及应用课程 考核论文 题目 压电式加速度传感器 班级机设七班 学号20111488 姓名孙国强 成绩 机械与汽车工程学院 机械电子工程系 二零一四年五月 压电式加速度传感器 1 摘要：现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动 态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变 量的连续测量过程。振动与冲击测量的核心是传感器， 常用压电加速度传感器来获取冲击和 振动信号。压 电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时， 其表 面会有电荷产生，从而实

2、现非电量测量。 其中，压电式加速度传感器是以压电材料为转换元 件，将加速度 输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体 积小、耐高温、固有频率高、 输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。 一、传感器物理效应及工作原理 压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。正压电效应：某些电介 质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电 荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电 介质的极 化方向施加电场， 电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时， 变形或应力随之消失，又称电致伸缩效应。 压

3、电材料：石英晶体是目前广泛应用成本较低的人造石英晶体，有很大的机械强 度和稳定 的机械性能，温度稳定性好，但灵敏度低，介电常数小，因此逐渐被其 他压电材料所代替， 至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄 带滤波器等元件的压电材料。除此之外，压电陶瓷有较高的压电系数和介电常数，灵敏度 高，但机械强度不如石英晶体好。 压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它是典型的有源传感器，利用某 些物质如 石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在 压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏 感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。 压

4、电加速度传感器的原理框图如图 1 1 所示，原理如图 2 2 所示。 图1加速度传感器的组成框图 自由电荷 电极_r + t极化方向 一III vTv 4 | |B | | 東缚吐荷 极化方向 I I I 电极 /+ + + + + + + HIIF + 图2 2压电加速度传感器原理图 实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待 测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性 力的作用，在晶体 的两个表面上产生交变电荷（电压）。当振动频率远低于传感器 的固有频率时，传感器的 输出电荷（电压）与作用力成正比。电信号经前置放大器 放大，即可由一般测量

5、仪器测试 出电荷（电压）大小，从而得出物体的加速度。 压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以 压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿 着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对 的表面上 便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当 作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 其中弹性体是传感器的核心，其 结构决 定着传感器的各种性能和测量精度， 弹性体结构设计的优劣对加速度传感 器性能的好坏至 关重要。 二、传感器的构成 压电式加速度传感器的敏感元件是具有压电效应的压电材料如石英晶体，转

6、 换元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电 材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它 的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电 的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 压电传感器等效原理：压电晶体在受外力作用下，其电极表面产生正负极性的 电荷，因此 可以看成一个静电发生器，其类似一个以压电材料为电介质的电容 器，如图所示。 当两极板间有异性电荷（q q）时，极板之间的电压为 UaUa。養三 电晶体压 （背） 压电传感器的等效原理 三、传感器的结构 常用的压电式加速度计的结构形式如下图所示。S

7、 S 是弹簧，M M 是质块，B B 是基 座，P P 是压电元件，R R 是夹持环。图 a a 是中央安装压缩型，压电元件一质量块一 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 B 与测试对象连接时，如果基座 B 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， 并使预紧力发生变化，易引起温度漂 移。图 c c 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。图b b 为环形剪切型

8、，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。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 压电式加速度传感器的幅频特性曲线 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图，一般小阻尼（z=0.1zCa+Cc+Ci时，上式可表示为： Uo=-Q/Cf 由上可知，在一定情况下，电荷放大器的出电压与传感器的电荷量成正此，并且 与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上， 其灵敏 度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。 六、传感器的选择 压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质

9、量块受 到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电 材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定 了作用力可以是受正应力也可以是剪应力， 压电材料产生的电荷大小随作用力的 方向以 及电荷引出表面的位置而变。 根据压电材料不同的受力方法，常用传感器 敏感芯体的结 构一般有以下三种形式： 1)压缩形式- 压电材料受到压缩或拉伸 力而产生电荷的结构形式。压缩 式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特 点是制造简单方便，能 产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺 点是不能有效地排 除各种干扰对测量信号的影响。 2）剪切形式

10、- 通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理 论上分析 在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小， 因此 剪切结构形式成 为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。 然而在实际制造过程 中，确保剪切敏感芯体 的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制 造中工艺中最为困难的一个环 节。北智 BW-SensorBW-Sensor 采用进口记忆金属材料的紧 固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐 振频率和频率测量范围。 3）弯曲变形梁形式- -压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲 变形梁结 构可产生比较大的电荷输出信号， 也较容易实现控制阻尼； 但因为其测 量频率

11、范围低， 更由于此结构不能排除因温度变化而极容易产生的信号漂移， 所 以此结构在压电型加速 度计的设计中很少被采用。 传感器的灵敏度与量程范围 传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。 灵敏度的大小直接影响到传感 器对振 动信号的测量。 不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量 （加速度值） 大小而定， 但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值， 而在相同的位移幅 值条件下加速度值 与信号的频率平方成正比， 所以不同频段的加速度信号大小相 差甚大。 大型结构的低频 振动其振动量的加速度值可能会相当小， 例如当振动位 移为 1mm,1mm, 频率为 1 1 HzHz 的信号 其加速度值仅为 0

12、.04m/s20.04m/s2（0.004g0.004g） ；然而对高频 振动当位移为 0.1mm0.1mm 频率为 1010 kHkHz z 的信号其加速度值可达 4 4 x x 1010 5m/s25m/s2 （40000g40000g） 。因此尽管压电式加速度传感器具有较 大的测量量程范围， 但对用于测 量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度 时应对信号有充分的估 计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度， 电压输出型 （IEPEIEPE 型）为 5010050100 mV/g,mV/g,电荷输出型为 1010 5050 pC/gpC/g。 1 1）传感器的高频测量范围 传感器

13、的高频测量指标通常由高频截止频率来确定， 而 一定截止频率与对应 的幅值误差相联系；所以传感器选用时不能只看截至频率，必须了解对应的幅值 误差值。 传感器的频率幅值误差小不仅是测量精度提高， 更重要的是体现了传感 器制造过程中控 制安装精度偏差地能力。 另外由于测量对象的振动信号频率带较 宽，或传感器的固有谐 振频率不够高， 因而被激发的谐振信号波可能会叠加在测 量频带内的信号上， 造成较大 的测量误差。 所以在选择传感器的高频测量范围时 除高频截至频率外， 还应考虑谐振频 率对测量信号的影响； 当然这种测量频段外 的信号也可通过在测量系统中滤波器给予消 除。 2 2） 传感器的低频测量范围

14、与传感器高频指标相对应， 传感器的低频测量指标通常由低频截止频率来确 定，同 样一定低频截止频率与对应的幅值误差相关。和高频特性不同， 传感器的 低频特性与传 感器的任何机械参数无关， 而仅取决于传感器的电特性参数。 当然 传感器作为测量系统 的某一部分， 测量信号的低频特性还将受到与传感器配用的 后继仪器电参数的制约。一 般情况下传感器的高频截止频率与输出信号的形式 （即电荷型或低阻电压型）无关； 而 与传感器的结构设计， 制造以及安装形式和 安装质量都密切相关。 以下表格是对不同型 式加速度传感器的高频响应作一个定 性 的 归 类 ， 供 用 户 在 选 用 时 对 比 和 高频响应外形,

15、重量和灵觀廃腿芯体形式总体设计安装形式 翩体积小重轆低灵敏度压缩型 好通用型剪切型单层壳带齡座吸铁粘接 差个尢腫高灵酿弯曲梁形式双启屛蔽壳手持 传感器的封装形式 压电式传感器的工作原理是利用敏感芯体的压电效应，而压电材料产生的是 高阻抗 的电荷信号。传感器敏感芯体的绝缘阻抗与传感器的低频测量截止频率存 在着相互对应的 关系。为了保证传感器的低频响应，传感器壳体封装设计应使敏 感芯体与外界隔绝，以防 止压电陶瓷受到任何污染而导致其绝缘阻抗下降。敏感 芯体绝缘阻抗下降对传感器性能造成的直接影响表现为低频响应变差，严重时还 将造成传感器灵敏度改变。为保证传感器的密封特性，大多传感器的封装采用激 光焊

16、接。 同时在当今密封材料品种多样，性能日益完善的情况下，针对不同的使 用环境，采用合适的密封材料替代激光焊接也能达到传感器密封的要求。但必须 指出不同的密封材料效果差异很大。 北智公司采用国外知名品牌的密封材料并经 过通过了 多年的环境厉行试验验证。在工业现场测试现场，为防止电磁场对传感 器信号的影响，对 用于工业现场的在线监测传感器往往要求传感器采用双重屏蔽 壳封装形式。双层屏蔽结构 的传感器输出接头一般采用双芯工业接头或联体电缆 输出形式。由于双层屏蔽壳的结构特 点和双芯输出电缆， 传感器的高频特性一般 将受到较大的制约，因此如果用户必须选用 双层屏蔽型传感器进行高频振动信号 测量，应谨慎

17、考虑。 传感器输出接头形式 M5M5 (M6)(M6)接头是加速度传感器最为常用的输出接头形式。M5M5 接头特点是尺 寸较小， 一般配用直径较细的电缆 (2mm(2mm 或 3mm3mm ) )， 比较适合振动实验的测试。另外 M5M5 (M6)(M6) 的结构型式对信号屏蔽较好， 所以对电荷输出型加速度传感器因 其输出为较容易受干扰的 高阻抗信号一般均采用M5M5 (M6)(M6)接头。测量振动的加 速度传感器接头一般避免使用 Q9(BNC),Q9(BNC),原因是 Q9Q9 (BNC),(BNC),接头组件没有螺纹联 接，构件 之间的机械耦合刚度较低；因此如果加速度传感器输出采用Q9(B

18、NC),Q9(BNC),， 其将会影响传感器的高频响应。 电缆的选择 对输出为高阻抗信号的电荷型压电型传感器而言， 为保证测量信号不受因电 缆移动 而造成噪声的影响，传感器的输出信号电缆一般都采用低噪声电缆。而输 出为低阻抗电压信号的 IEPEIEPE 传感器，低噪声电缆并不一定是必需的。高频，低 频信号对 电缆不同要求的典型的例子是多轴向测量传感器的电缆，多通道高阻抗 信号的电缆必须是各自独立的低噪声屏蔽电缆，而多通道低阻抗的电压信号便可 采用多芯绞线加屏蔽的电缆。在通用型传感器的电缆配备中因考虑到电缆的重量 和成本， 2 2 mmmm 直径的低噪声电缆为加速度传感器的标准配置。工业现场用的

19、 传感器一般以 IEPIEPE E 型为主，电缆本身的强度也成为重要考虑因素，因此3 3 mmmm 直径的低噪声电缆和 4.54.5 mmmm 直径的普通同轴屏蔽电缆成为最常使用的电缆。 而对双层 屏蔽壳设计的 IEPEIEPE 型传感器的电缆配置均为双绞芯线外加屏蔽的电 缆。在加速度传感器 输出信号电缆的选择中，除电缆结构外，其他最经常考虑的 指标是电缆的应用温度以及在工业现场测试中电缆外层材料耐腐蚀的能力。最为 普遍使用的电缆绝缘材料为 PVC,PVC,使用温度范围为-40oC-40oC 到+105OC+105OC。对应用环 境较恶劣的 场合，最经常选用的电缆绝缘材料为聚四氟乙烯；其使用温

20、度范围为 -45oC-45oC 到+250OG+250OG 且耐腐蚀能力也优于其它大多数电缆绝缘材料。但用四氟材料 做的电缆柔性较差，价格也远高于 PVCPVC 材料。 应用实例： IEPE压电加速度传感器 产品塑号：ULTD1系列h ULT10系恥ULT20系別 产 品名称：内装瓦压电加速度倍感器 资料下载：圧PE压电加速度倍感器（PDF资斜下载）产 品橱述：】EPE加谨度传感器是在转感器內部拿战 了徽 型集成电路做大器兀）的压电加速度传感器- 将伎统的压电 加速度传感器与电荷赦大器集于一体， 能 宜接与采集或记录 仪器连接”简化了刑试系统堆高了 测试精度和可靠性同 时具有低阻抗输出、抗干扰

21、、噪 声小、性价比高安装方便 等显着优点。 多轴向IEPE压电加速度传感器: 型号 单位I ULT2009ULT2010ULT2011ULT2017ULT2021 轴向双轴向三轴向三轴向三轴向取轴向 动态持征 9505010250.5 灭敏浚mV/g10010050020010000 频率范HI住10%) Hz0.570000.5-50000.5-20000.5-40000.1-150 谐振频率kHz22228132 分茹率g0.00020.00020.000040.00010.000002 幅0线性%S1S1S1S1S1 横向灵敏度 % S5.S3(典型(fi)S5, S3(典型(fl)S5

22、. S3興型值)S5S3(典 电性参数 mA 2204(典型(ft) Ohm150150150150S5,s5.s3(Hifl)55, S3(ft!fTl 电性粘数 mA 2*20.刪翼生itt) 输酋1阻抗 Ohm150150*150150*150 出整压VDC9-128-128-12a-12 at电吋间常竝 Secs02eC_2iO-2a0-220.2 环境聲数 .9 500300200020002000 工忤黑度 -40-+120 -40+120*H+12D-40*120 粧皱村啊乐电 _ 不構刚 输出樓头廉式 M5M5 mm*M5M5MSM5 外般尺寸 itim 四力 29-29*17

23、 四力 22-2222-2222-22 gram 100260 15环静谢幅CT育罐劉 用逮汕特点 1通用IN扳 删冲it舄冲击 图像自动翻转 用加速度传感器检测手持设备的旋转动作及方向，实现所要显示图像的转 正。 电子指南针倾斜校正 磁传感器是通过测量磁通量的大小来确定方向的。当磁传感器发生倾斜时，通过 磁传感器的地磁通量将发生变化，从而使方向指向产生误差。因此，如果不带倾 斜校正的电子指南针， 需要用户水平放置。而利用加速度传感器可以测量倾角的 这一原理，可以对电子指南针的倾斜进行补 偿。 GPSGPS 导航系统死角的补偿 GPSSGPSS 统是通过接收三颗呈 120120 度分布的卫星信号来最终确定物体的方位的。 在一些特殊的场合和 地貌，如遂道、高楼林立、丛林地带，GPSGPS 言号会变弱甚至 完全失去，这也就是所谓的死角。而通过加装加速度传感器及以前我们所通用的 惯性导航，便可以进 行系统死区的测量。对加速度传感器进行一次积分，就变成 了单位时间里的速度变化量，从而测出在 死区内物体的移动。