振动加速度传感器的工作原理解析

最常用的振动加速度传感器是压电式加速度计。这种类型的传感器具有非常广泛的动态测量范围。还有很多其他类型的加速度计被用于测量很低频率的加速度，例如汽车的制动，提升机的运行状态，甚至于地球产生的重力加速度。这些测量项目主要依靠压阻、电容和伺服技术。

压电式加速度传感器

压电式加速度计坚固耐用，结构紧凑，频率响应范围宽，适用于监测滚动轴承等很高频率的振动。压电式加速度传感器是惯性式传感器，采取在机器外壳安装的结构。

压电传感器这些固有特性是因为使用压电材料作为敏感元件。传感器的震荡质量块在加速度作用下产生惯性力，这个力对具有一定刚度的压电元件产生压电效应。在低于震荡质量固有频率的一个频率范围内，传感器输出的电量与加速度成正比。压电加速度计的典型频率响应如下图所示。

压电效应与压电材料

某些材料受到一定方向的外力F而发生变形时，在一定表面上产生电荷q，当外力撤销后，恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。相反，如果这些材料在极化方向被外电场作用，就会在一定方向产生机械变形或应力，如果撤除外电场，这些变形或应力也随之消失，这种现象称为逆压电效应，即电致伸缩效应。压电敏感元件是由压电材料表面镀金属膜构成的，其等效电路为电容器，如下图所示。

如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于z、y和z轴。这个晶片在自然状态下不显电性，受外力作用时，将沿x轴方向形成电场，其电荷分布于垂直于z轴的平面。沿z轴方向加力F、产生纵向压电效应，沿 y轴加力F，产生横向压电效应，沿相对两平面加力产生切向压电效应，如下图所示。

根据传感器的工作模式，压电加速度计可以分为两种主要类型∶内置电子仪器压电型，即 IEPE（Internal electronic piezoelectric，内置电子仪器的压电型）型，包含内置微电子信号调理器;而电荷型加速度计只有自源式的压电敏感元件。

电阻/压阻式加速度传感器

电阻式加速度计使用应变计作为敏感元件。当底座被加速时，通过悬臂梁传送的力使质量块产生加速度。用应变计测量梁的挠曲，为取最大灵敏度，通常采用压阻式应变计，并且由四个应变计组成惠斯登电桥。在壳体内灌注阻尼流体，作为振荡阻尼。这种加速度计的测量范围达到士1000g。然而，它的固有频率一般较低，使用频率的上限仅为几百赫兹。虽然某些产品的频率上限可达1～2kHz，但是比压电传感器的频率上限低很多。应变计加速度计的价格比压电加速度计便宜很多。

现代压阻加速度计采用 MEMS（Micro-electro- mechanical Systems，微型机电系统）技术制造。在这种加速度计中，应变计被直接扩散到挠曲元件上，因此半导体硅既是挠曲原件又是传感元件。因为挠曲原件的刚度大，所以频率范围广。同时具有尺寸小，灵敏度高（压阻应变计的灵敏系数是金属应变计的 25～50 倍），信噪比大，线性和稳定性好的特点。如果进行适当的温度补偿，工作温度为一20～120℃。

电容式加速度传感器

MEMS电容式加速度计的敏感元件用静电键合工艺构成平板电容器，具有频响范围宽，低频直至零频，性能稳定，结构坚固，使用方便的特点。内置电子电路，提供高电平、低阻抗输出。虽然设计的加速度测量值较低，但是能够承受很大的加速度冲击。适用于弹道监视、结构评估、颤振试验，汽车悬架和制动器试验等应用。

伺服式加速度传感器

伺服式加速度计即力平衡式加速度计，其工作原理如下图所示。

在这种装置中，加速度引起摆块的轻微移动。该移动被位置敏感元件测量，并且通过反馈网络产生驱动扭矩马达的电压，使得摆块向回移动，接近它的初始位置。所需的扭矩与加速度成正比，所以用于驱动扭矩马达的电压就是加速度的度量。伺服加速度计非常精准，大量地应用于飞机导航系统和卫星控制系统。它的线加速度测量范围可达到 50g，并且还可以测量角加速度。由于其固有频率低，通常低于200Hz，所以主要用于静态和低频的测量。
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