1、 背景介绍背景介绍压电式传感器压电式传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器其它类型的加速度传感器其它类型的加速度传感器压电式传感器的标定压电式传感器的标定动态加速度测量实验动态加速度测量实验第六章 加速度测量 现在已有很多测量力、压力和运动的方法，现在已有很多测量力、压力和运动的方法，现在讨论这些测量所涉及的公用组成部分。经常需要测现在讨论这些测量所涉及的公用组成部分。经常需要测量的运动是直线运动和角运动，对这两种运动三个基本量的运动是直线运动和角运动，对这两种运动三个基本参数是位移（参数是位移（S S和和）、速度（）、速度（V V和和）和加速度（）和加速度（a a和和）,它们之间的关系在
2、数学上表示为：它们之间的关系在数学上表示为：这表明，可以测出其中的一个量，然后进行积分或微这表明，可以测出其中的一个量，然后进行积分或微分运算得到另一些量。由于微分的误差放大，而积分是分运算得到另一些量。由于微分的误差放大，而积分是修匀的过程，普遍使用积分运算，所以加速度测量是运修匀的过程，普遍使用积分运算，所以加速度测量是运动测量的基础。另外，力和压力传感器本质上也是加速动测量的基础。另外，力和压力传感器本质上也是加速度计：度计：F=ma,P=F/sF=ma,P=F/s 2222,dsddVd sddVadtdtdtdtdtdt背景介绍背景介绍加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物加速度
3、是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。因此，可以理量。因此，可以通过测量加速度来测量物体的通过测量加速度来测量物体的运动状态运动状态。无需知道几何位置等，即可实时了解。无需知道几何位置等，即可实时了解动态信息（非惯性）；通常还动态信息（非惯性）；通常还通过测量加速度来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。对于加速度，制其运动加速度，以免机件损坏。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常用绝对法测量，即把
4、惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。动体上进行测量。加速度测量加速度测量惯性导航系统惯性导航系统船用平台式惯性导航系统船用平台式惯性导航系统 一般采用水平指北方案。由陀螺仪（三个单自由或一般采用水平指北方案。由陀螺仪（三个单自由或二个双自由）构成稳定平台，跟踪并稳定在当地地理坐标二个双自由）构成稳定平台，跟踪并稳定在当地地理坐标系内。在惯性平台上安装两个敏感轴互相垂直、分别沿东系内。在惯性平台上安装两个敏感轴互相垂直、分别沿东西向和南北向放置的加速度计，用以测量这两个方向的加西向和南北向放置的加速度计，用以测量这两个方向的加速度信息。速度信息。加速度传感器应用示例惯性导航系统（惯性导航系统（
5、INSINS）：）：优点：优点：完全自主的导航完全自主的导航 可提供多种导航信息可提供多种导航信息缺点：缺点：精度逐渐降低。精度逐渐降低。初始对准时间长初始对准时间长卫星导航系统（卫星导航系统（GPSGPS）：）：优点：优点：定位精度高定位精度高 精度不随时间变化精度不随时间变化缺点：缺点：卫星信号不易捕获和跟踪卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差抗干扰能力差因而被认为是目前导航领域和大地测量领域最因而被认为是目前导航领域和大地测量领域最理想的组合方式。理想的组合方式。GPSGPS系统与惯导系统具有互补的特点系统与惯导系统具有互补的特点惯性导航与GPS的比较固体振动特(乐器为例)编钟振动与模态
6、分析固体结构的冲击响应固体结构的冲击响应与频谱特性测量与频谱特性测量高速撞击实验与测量 碰撞实验中，利用加速度传感器可进行：碰撞实验中，利用加速度传感器可进行：1 1、碰撞程度测量、碰撞程度测量（不同速度、与不同物体碰撞等）；（不同速度、与不同物体碰撞等）；2 2、车内不同部位感受的、车内不同部位感受的冲击程度（车的结构设计有关）；冲击程度（车的结构设计有关）；3 3、乘客坐姿、部位、约束、乘客坐姿、部位、约束条件等对感受冲击的影响。条件等对感受冲击的影响。装有传感装有传感器的假人器的假人汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器还可以在汽车发生碰撞时，给出信号，使用加速度传感器还
7、可以在汽车发生碰撞时，给出信号，触发控制系统使气囊迅速充气（正常车内安装）。触发控制系统使气囊迅速充气（正常车内安装）。利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置MEMSMEMS加速度传感器的应用加速度传感器的应用 用于测加速度的传感器主要是用于测加速度的传感器主要是压电式的，其它有电阻应变式、电位压电式的，其它有电阻应变式、电位器式、霍尔式、伺服式等，由于压电器式、霍尔式、伺服式等，由于压电式传感器结构简单、体积小、轻巧、式传感器结构简单、体积小、轻巧、频带宽、性能稳定、线性度好因此在频带宽、性能稳定、线性度好因此在振动和力的测量方面被广泛应用。振动和力的测量方面被广
8、泛应用。6.16.1压电式传感器压电式传感器 利用某些材料的压电效应制作的各利用某些材料的压电效应制作的各类传感器称为压电式传感器类传感器称为压电式传感器 。具有压电效。具有压电效应的材料有三大类：压电晶体、压电陶瓷、应的材料有三大类：压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜，以压电晶体应用最多。压电薄膜，以压电晶体应用最多。1 1压电效应压电效应 某些单晶体和多晶体陶瓷材料某些单晶体和多晶体陶瓷材料受到外力作用时能在材料中产生电场（在受到外力作用时能在材料中产生电场（在表面产生电荷），当外力除去时，又重新表面产生电荷），当外力除去时，又重新恢复到不带电的状态。这个物理现象称为恢复到不带电的状态。这个物理
9、现象称为“压电效应压电效应”。具有压电效应的材料称为。具有压电效应的材料称为压电材料，它们同时具有逆压电效应，即压电材料，它们同时具有逆压电效应，即在电场作用下会发生变形。在电场作用下会发生变形。以石英晶体为例说明压电工作原理。天然的石英晶以石英晶体为例说明压电工作原理。天然的石英晶体是正六面体，在晶体学中可以把它用三条互相垂体是正六面体，在晶体学中可以把它用三条互相垂直的轴来表示。纵轴直的轴来表示。纵轴Z Z轴轴-光轴；通过六面体棱线光轴；通过六面体棱线并垂直于光轴的轴线并垂直于光轴的轴线X X轴轴-电轴；同时垂直于光轴电轴；同时垂直于光轴和电轴的轴线和电轴的轴线Y Y轴轴-力轴。如果切割出
10、一个平行六力轴。如果切割出一个平行六面体，使晶体面分别平行于光轴、电轴和力轴，当面体，使晶体面分别平行于光轴、电轴和力轴，当在在X X方向或方向或Y Y方向对晶体施加力时，只能在垂直于电方向对晶体施加力时，只能在垂直于电轴的晶面上出现电荷，在轴的晶面上出现电荷，在Z Z轴方向施加力时，晶面上轴方向施加力时，晶面上无电荷。无电荷。（a a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b b）在）在X X轴方向压缩，表面轴方向压缩，表面A A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。（c c）沿）沿Y Y轴方向压缩，在轴方向压
11、缩，在A A和和B B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别呈现正电荷和负电荷 对于不同方向的作用力，给定的晶体平面上产生的电荷极对于不同方向的作用力，给定的晶体平面上产生的电荷极性也不同。因此压电材料在外力作用时产生的极化电荷不性也不同。因此压电材料在外力作用时产生的极化电荷不仅能反映外力的大小，也能反映外力的作用方向。描述压仅能反映外力的大小，也能反映外力的作用方向。描述压电效应中机械变量和电变量之间的关系是压电方程。电效应中机械变量和电变量之间的关系是压电方程。2 2 压电方程压电方程压电方程有四种形式（电场强度压电方程有四种形式（电场强度E E或电荷密度或电荷密度D D与应力与应力T
12、T或应变或应变S S的不同组合），它们可以互相的不同组合），它们可以互相转换。转换。这里只讨论正向压电效应，一般不考虑磁场的这里只讨论正向压电效应，一般不考虑磁场的作用并且没有外加电场的作用。作用并且没有外加电场的作用。电荷密度（极化强度）电荷密度（极化强度）D D和应变和应变S S的关系的关系 （略）（略）电荷密度（极化强度）电荷密度（极化强度）D D和应力和应力T T的关系的关系:在复杂应力状态下，完整的在复杂应力状态下，完整的表达式为：表达式为：DxDx、DyDy、DzDz分别是垂直于分别是垂直于X X、Y Y、Z Z轴平面上的电荷密度轴平面上的电荷密度（库（库/米米2 2）；）；Txx
13、 Txx、Tyy Tyy、TzzTzz 分别是轴向应力（牛分别是轴向应力（牛/米米2 2）；）；Txy Txy、Tyz Tyz、TzxTzx分别是剪应力分别是剪应力 （牛（牛/米米2 2）；）；d dijij 是压电应力系数矩阵，也称压电模量（库是压电应力系数矩阵，也称压电模量（库/牛）。牛）。3 6xxyyxzzyijyzzzxxyTTDTDdTDTT d dijij 是压电应力系数矩阵，也称压电模量是压电应力系数矩阵，也称压电模量（库（库/牛）。物理意义是无外加电场的作用或牛）。物理意义是无外加电场的作用或恒电场条件下，单位应力所产生的极化电荷恒电场条件下，单位应力所产生的极化电荷密度。在
14、密度。在M.K.S.M.K.S.制中单位为：制中单位为：（库（库/米米2 2）/（牛（牛/米米2 2）=库库/牛牛 传感器实际应用中，晶体都工作在简传感器实际应用中，晶体都工作在简单受力状态，方程将大大简单受力状态，方程将大大简 化，一般都是采取厚度方化，一般都是采取厚度方 向承载。向承载。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化极化后，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量极化后，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为时，却无法测出
15、陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不
16、能测出陶瓷片内的极化程度，如图。片内的极化程度，如图。自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象
17、。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是这是一个膨胀过程一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）代表形变后的情况）FFdQ33 同样，若
18、在陶瓷片上加一个与极化方向相同的同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图左，由于电场的方向与极化强度的方向相同，电场，如图左，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能
19、转变变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。为机械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图逆压电效应示意图 极化方向电场方向 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在瓷内部存在自发极化自发极化。这些自发极化经过极化工序处理。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶生变化，
20、陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是瓷内的极化电荷是束缚电荷束缚电荷，而不是自由电荷，这些束，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。自由电荷的释放或补充的结果。3.压电元件的等效电路hshsCra0aCQU 压电式传感器的等效电路(a)(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q Q与一个电容与一个电容C Ca a并联的电路并联的电路 (b)(b)等效成一个电源等效成一个电源U
21、 U=Q Q/C Ca a 和一个电容和一个电容C Ca a的串联电路的串联电路 两个压电片的联结方式（a a）“并联并联”，Q Q=2=2Q Q，U U=U U，C C=2=2C C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b b）“串联串联”Q Q=Q Q，U U=2=2U U，C C=C C/2/2而串联接法输出电压大，本身电容小。而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号，
22、且测量电路输入阻抗很高的地方。4.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。（1）电压放大器C Ca a：传感器的电容：传感器的电容 R Ra a：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 C Cc c：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容R Ri i：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻C Ci i：放大器的输入电容：放大
23、器的输入电容iaiaRRRRRicaCCCC前置放大器输入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力压电元件的力 F=FF=Fm msintsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d d3333，产生的电荷为，产生的电荷为Q=dQ=d3333F F。tFddtdQimcos33FdjI33RCjRjFdUi133。2233)()(1icamimCCCRRFdu输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0=0）时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理
24、量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。传感器的低频响应范围 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法
25、是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。大，传感器的低频响应也就越好。电压放大器应用限制 压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度
26、的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。压电式加速度传感器 压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。（2）电荷放大器）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放
27、大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。压电传感器与电荷放大器连接等效电路 K K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K K）表示放大器的输出与输入反相，）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地地”电位。电位。充电电压接近等于放大器的输出电压充电电压接近等于放大器的输出电压 fficacfCQCkCCCkQUU)1(0几点说明：几点说明：1 1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电
28、容等均无关系，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2 2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q Q变化成变化成 线形关系的输出电压。线形关系的输出电压。3 3、反馈电容、反馈电容C Cf f小，输出就大，小，输出就大，4 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5 5、输出电压与电缆电容无关条件：、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K1+K）C Cf f（C Ca a+C Cc c+C Ci i）6.2压电式加速度传感器压电式传感器从材料分有三种：压电晶
29、体传感器、压电陶瓷压电式传感器从材料分有三种：压电晶体传感器、压电陶瓷传感器、压电薄膜传感器；从功能分也有三种：加速度传感传感器、压电薄膜传感器；从功能分也有三种：加速度传感器、压力传感器、力传感器。介绍其中一种压电式加速度传器、压力传感器、力传感器。介绍其中一种压电式加速度传感器。感器。当前测量加速度的传感器基本上都是基于当前测量加速度的传感器基本上都是基于图所示的基本结构。通常是质量弹簧图所示的基本结构。通常是质量弹簧阻尼二阶惯性系统。由质量块阻尼二阶惯性系统。由质量块m m、弹簧、弹簧k k和和阻尼器阻尼器c c所组成的惯性型二阶测量系统。所组成的惯性型二阶测量系统。质量块通过弹簧和阻尼
30、器与传感器基座相质量块通过弹簧和阻尼器与传感器基座相连接。传感器基座与被测运动体相固连，连接。传感器基座与被测运动体相固连，因而随运动体一起相对于运动体之外惯性因而随运动体一起相对于运动体之外惯性空间的某一参考点作相对运动。空间的某一参考点作相对运动。由于质量块不与传感器基座相固连，因而在惯性作用由于质量块不与传感器基座相固连，因而在惯性作用下将与基座之间产生相对位移。质量块感受加速度并下将与基座之间产生相对位移。质量块感受加速度并产生与加速度成比例的惯性力，从而使弹簧产生与质产生与加速度成比例的惯性力，从而使弹簧产生与质量块相对位移相等的伸缩变形，弹簧变形又产生与变量块相对位移相等的伸缩变形
31、，弹簧变形又产生与变形量成比例的反作用力。当惯性力与弹簧反作用力相形量成比例的反作用力。当惯性力与弹簧反作用力相平衡时，平衡时，质量块相对于基座的位移与加速度成正比例，质量块相对于基座的位移与加速度成正比例，故可通过该位移或惯性力来测量加速度。故可通过该位移或惯性力来测量加速度。设传感器基座相对于惯性空间参考坐标的位移为xb，质量块m相对于惯性空间参考坐标的位移为x，质量块相对于传感器基座的位移为y，则有如上所述，质量弹簧阻尼系统可以把加速度转换成与之成比例的质量块相对于传感器基座的位移，采用位移传感器作为变换器，把质量块的相对位移转变成与加速度成比例的电信号，就可构成各种类型的位移式加速度传
32、感器。byxx压电式加速度传感器的结构压电式加速度传感器的结构 主要零件有：压电晶片、主要零件有：压电晶片、惯性质量块、压紧弹簧和金属基座。是属于惯性式惯性质量块、压紧弹簧和金属基座。是属于惯性式（绝对式）测振传感器。外壳和被测振动体连在一起，（绝对式）测振传感器。外壳和被测振动体连在一起，弹簧支承一个质量块来感受振动，压电晶片受到一个弹簧支承一个质量块来感受振动，压电晶片受到一个惯性力而产生电信号，由于惯性力而产生电信号，由于F=maF=ma，所以可以测量加，所以可以测量加速度。速度。压电式加速度传感器的输出特性压电式加速度传感器的输出特性综合测量电路对压电加速度综合测量电路对压电加速度传感
33、器的输出特性的影响，传感器的输出特性的影响，可以得到传感器的输出特性可以得到传感器的输出特性（幅频特性曲线）。使用时（幅频特性曲线）。使用时必须注意：必须注意：1 1根据厂方提供的幅频特性曲线决定使用频率范围；根据厂方提供的幅频特性曲线决定使用频率范围；下限：测量电路；上限：固有频率及阻尼比下限：测量电路；上限：固有频率及阻尼比 最最佳佳0.650.652 2 必须把传感器牢固连接在被测振动体上，因为必须把传感器牢固连接在被测振动体上，因为幅频特性曲线是在刚性连接的情况下得到的。幅频特性曲线是在刚性连接的情况下得到的。下图表明用淬火钢制造的螺钉安装频响最好。下图表明用淬火钢制造的螺钉安装频响最
34、好。压电式加速度传感器的灵敏度压电式加速度传感器的灵敏度 压电式加速度传感器是发电型传感器可压电式加速度传感器是发电型传感器可看成是电压源或电荷源，灵敏度就有两种形式：看成是电压源或电荷源，灵敏度就有两种形式：电压灵敏度电压灵敏度SuSu和电荷灵敏度和电荷灵敏度Sq,Sq,设输出电压为设输出电压为e ea，输出电荷为，输出电荷为q q加速度为加速度为a a，则有：，则有：Su=ea/a;Sq=q/aea=q/Ca,Sq=Su Ca Ca是压电式传感器的是压电式传感器的内部电容。内部电容。这里所说的灵敏度是指主轴方向上的（与加这里所说的灵敏度是指主轴方向上的（与加速度方向一致）。实际上，压电式加
35、速度速度方向一致）。实际上，压电式加速度传感器也有横向效应。横向灵敏传感器也有横向效应。横向灵敏 度越小越好，优质的传感器要求横向灵敏度越小越好，优质的传感器要求横向灵敏度小于主轴灵敏度的度小于主轴灵敏度的3%3%；使用时必须保证；使用时必须保证传感器的主轴方向同被测加速度方向一致。传感器的主轴方向同被测加速度方向一致。6.3其它类型的加速度传感器 在力学学科的发展过程中，应变测量技术和在力学学科的发展过程中，应变测量技术和装置发展较早并日趋成熟，因而，其它量测量常装置发展较早并日趋成熟，因而，其它量测量常常沿用应变测量的成果，发展成多种形式的应变常沿用应变测量的成果，发展成多种形式的应变式传
36、感器。式传感器。应变片式加速度传感器应变片式加速度传感器在等强度梁在等强度梁1 1的一端固定惯性质量块的一端固定惯性质量块2 2，梁的另一端用螺钉固定在壳体，梁的另一端用螺钉固定在壳体3 3上，在梁的上下两面粘贴应变片上，在梁的上下两面粘贴应变片4 4，梁和惯性块的周围，梁和惯性块的周围充满阻尼液（硅油），产生必要的阻尼。测量时将传感器和被测体刚充满阻尼液（硅油），产生必要的阻尼。测量时将传感器和被测体刚性连接，当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量性连接，当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，其产生的惯性力正比于加速度。惯性力作块也以同样的
37、加速度运动，其产生的惯性力正比于加速度。惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，等强度梁的应变与载荷的关系有理论解，用在梁的端部使梁产生变形，等强度梁的应变与载荷的关系有理论解，由应变求出载荷从而求出加速度。限位块保护传感器在过载时不被破由应变求出载荷从而求出加速度。限位块保护传感器在过载时不被破坏。坏。32141等强度梁；2质量块；3壳体；4电阻应变敏感元体上图是一种变磁阻式加速度传感器，它是以通过弹簧片与壳体相连的质量块m作为差动变压器的衔铁。当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就输出与位移(也即与加速度)成近似线性关系的电压，加速度方向改变时，输出电压的相位相应地改变180。位移式加
38、速度传感器位移式加速度传感器 两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间
39、隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C C1 1、C C2 2产生产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。差动式电容加速度传感器结构差动式电容加速度传感器结构位移式加速度传感器位移式加速度传感器上图是霍尔式加速度传感器的结构示意图。它是上图是霍尔式加速度传感器的结构示意图。它是在固定在传感器壳体上的弹性悬臂梁的中部装有在固定在传感器壳体上的弹性悬臂梁的中部装有一感受加速度的质量块一感受加速度的质量块m m，梁的自由端固定安装着，梁的自由端固定安装着测量位移的霍尔元件测量位移的霍尔元件H
40、 H。在霍尔元件的上下两侧，。在霍尔元件的上下两侧，同极性相对安装着一对永久磁铁，以形成线性磁同极性相对安装着一对永久磁铁，以形成线性磁场。当质量块感受上下方向的加速度而产生与之场。当质量块感受上下方向的加速度而产生与之成比例的惯性力使梁发生弯曲变形时，自由端就成比例的惯性力使梁发生弯曲变形时，自由端就产生与加速度成比例的位移，霍尔元件就输出与产生与加速度成比例的位移，霍尔元件就输出与加速度成比例的霍尔电势加速度成比例的霍尔电势U UH H。霍尔式加速度传感器霍尔式加速度传感器这类基于测量质量块相对位移的加速度传感器一般响应度都比较低，所以当前广泛采用基于测量惯性力的加速度传感器基于测量惯性力
41、的加速度传感器，例如压阻式和压电式加速度传感器。它们的工作原理是:敏感质量块感受加速度，而产生与之成敏感质量块感受加速度，而产生与之成正比的惯性力正比的惯性力F Fmama，再通过弹性元件把惯性，再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯性力转变成电荷量，然后通过测量应变、应性力转变成电荷量，然后通过测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。力或电荷来间接测量加速度。微小型加速度传感器示例 图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与
42、加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。MEMS加速度传感器压阻式电容式热对流式压电式意法半导体，LSM303DLH，电容式三轴加速度传感器电容式加速度传感器，利用悬臂梁的弹性模量来做质量块MEMS角加速度传感器（陀螺仪）该系统为2-D的振动系统，有两个正交的振动模态。其中一个振动模态为质量块在x方向振动，振动频率为。另一个振动模态为质量块在y方向振动，振动频率为。与 的值比较接近。工作时，驱动质量块使之在x轴上以接近于 的频率（驱动频率）振动，如果振动系统以角速度 绕Z轴转动，则会产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，从而使得质量块在Y轴方向上产生频率为的 振动响应，通过测试Y
43、轴方向的运动就能完成角速度 的检测。驱动部分（左）感应部分（上）6.4压电式传感器的标定压电式传感器的标定用实验方法确定传感器性能参数的过程称用实验方法确定传感器性能参数的过程称为标定。为标定。1 1、静态标定、静态标定 目的是确定传感器静态性能，目的是确定传感器静态性能，如线性度、灵敏度、滞后、过载能力、如线性度、灵敏度、滞后、过载能力、重复性等。方法是用一个静态标准条件重复性等。方法是用一个静态标准条件按等间距逐点输入标准量，用适当的标按等间距逐点输入标准量，用适当的标定用仪器测量相应的输出值，经过数据定用仪器测量相应的输出值，经过数据处理后得到输出处理后得到输出-输入曲线。输入曲线。2
44、2、动态标定、动态标定 目的是确定传感器动态性能，目的是确定传感器动态性能，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等，有时还需要对横向灵敏度、温度响应、等，有时还需要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定，远比静态标定复杂。环境影响等进行标定，远比静态标定复杂。以压力传感器为例。两个关键的问题：以压力传感器为例。两个关键的问题：1 1 令人满意的简谐周期或阶跃的压力源；令人满意的简谐周期或阶跃的压力源；2 2 可靠地确定在压力源下所产生的真实压力可靠地确定在压力源下所产生的真实压力-时时间关系。间关系。激波管是理想的产生阶跃压力的装置。因为：激波管是理
45、想的产生阶跃压力的装置。因为：（1 1）激波管问题有解析解，可由初始压力及激波速）激波管问题有解析解，可由初始压力及激波速度确定波动过程的各个时间压力度确定波动过程的各个时间压力;（2 2）激波管的频率范围广，）激波管的频率范围广，2 KHz-2.5MHz;2 KHz-2.5MHz;(3)(3)压力幅度范围宽；压力幅度范围宽；（4 4）结构简单使用可靠。）结构简单使用可靠。1 1破膜前，膜片将高压室与低压室隔开破膜前，膜片将高压室与低压室隔开 。2 2膜片瞬时破裂，产生一平膜片瞬时破裂，产生一平面激波及其后紧跟的接触面由高压向低压段以一定的速度传播，同面激波及其后紧跟的接触面由高压向低压段以一
46、定的速度传播，同时，一个中心稀疏波沿高压室反向传播。时，一个中心稀疏波沿高压室反向传播。3 3稀疏波到达高压室端部反射。稀疏波到达高压室端部反射。4 4 激波到达低压室端部反射激波到达低压室端部反射。121414112114144)1(1111112MMaMP入射波和反射波的强度是利用激波速度测量值计算得到的：入射波和反射波的强度是利用激波速度测量值计算得到的：入射波超压入射波超压反射波超压反射波超压 其中其中,P1,P1是低压室初始压力是低压室初始压力,M,M是激波马赫数是激波马赫数,M=D/C,D,M=D/C,D是激波波是激波波速，速，C C是未扰动时空气的声速。位于激波管上不同位置处待标
47、定传是未扰动时空气的声速。位于激波管上不同位置处待标定传感器的压力波形理想化后如下：感器的压力波形理想化后如下：由由P2P2、P5P5的理的理论值可以论值可以计算出计算出P2 P2、P5P5，从而，从而实现了标定。实现了标定。222117(1)6PPPMP2255112724(1)35MPPPMPM关于标定的小结 标定是指被测非电量与转换电量的对应标定是指被测非电量与转换电量的对应（转换）关系，是非电量的电测法必不可少的（转换）关系，是非电量的电测法必不可少的环节，直接影响测量结果的真实性与精确度。环节，直接影响测量结果的真实性与精确度。一般做法是：一般做法是：由此可得出非电量与电量的对应关系
48、。由此可得出非电量与电量的对应关系。标准非电量可以是真实的力学量也可以是其对标准非电量可以是真实的力学量也可以是其对应的电学量。应的电学量。一般有以下几类：一般有以下几类：1 1 传感器的标定传感器的标定 是传感器把非电量转变为电是传感器把非电量转变为电量的对应关系。如应变片的灵敏系数，加速量的对应关系。如应变片的灵敏系数，加速度传感器的电压灵敏度、电荷灵敏度等主要度传感器的电压灵敏度、电荷灵敏度等主要由厂家给出，应按要求使用。由厂家给出，应按要求使用。2 2 仪器的标定仪器的标定 是测量仪器本身带有的，对仪是测量仪器本身带有的，对仪器本身的输出、输入关系的描述。如电荷放器本身的输出、输入关系
49、的描述。如电荷放大器的电标定。大器的电标定。3 3 系统标定系统标定 整个测量系统的输出电量与输入整个测量系统的输出电量与输入非电量的关系。包括传感器、测量电路、记非电量的关系。包括传感器、测量电路、记录录(显示显示)仪器等所有环节。仪器等所有环节。具体问题具体对待 几个环节中，精度高，对总体误几个环节中，精度高，对总体误差影响小的可不予标定，对总体误差影差影响小的可不予标定，对总体误差影响大的，关系复杂，使用条件苛刻的要响大的，关系复杂，使用条件苛刻的要首先标定。首先标定。对厂家提供的标定不能迷信，必对厂家提供的标定不能迷信，必须搞清其标定方法与标准。当使用条件须搞清其标定方法与标准。当使用条件与之不符时，要根据力学知识分析判断与之不符时，要根据力学知识分析判断采信与否。有些情况下，必须自行设法采信与否。有些情况下，必须自行设法标定。标定。动态加速度测量实验 实验装置实验步骤：1、标定，求出灵敏度；2、连接仪器；3、设置电荷放大量；4、采集动态加速度信号；5、计算加速度。谢谢！
