壓電加速度傳感器原理及應用

每種加速度傳感器技術都有其優缺點。在作出選擇之前，明確的區別和測試是非常重要的。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

首先也是最重要的是，對于測量靜態加速度或低頻加速度(<1Hz)的應用，用加速度計算速度和位移的應用，選擇具有直流響應的加速度傳感器。對于多數工程應用，選擇合適的測試工具將對測試結果產生很大的影響。本文將幫助讀者正確的選擇加速度傳感器。讓我們從傳感器的分類和原理開始。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

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    基本的加速度傳感器類型   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    總的有兩類加速度傳感器:交流響應加速度傳感器直流響應加速度傳感器交流響應的加速度傳感器，正如它的名稱，它的輸出是交流耦合的。此類傳感器不能用來測試靜態的加速度，比如重力加速度和離心加速度。他們僅適合測量動態事件。而直流響應的加速度傳感器，具有直流耦合輸出，響應低至0赫茲的加速度信號。直流響應的加速度傳感器適合測試靜態和動態的加速度。并不是只有測試靜態加速度時才選擇直流響應的加速度傳感器。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    加速度，速度，位移   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    許多對于振動的研究獲取加速度，速度和位移的信息，這些是工程師們設計和驗證結構時所的重要信息。說來，加速度提供了很好的參考，而速度和位移卻是計算時所需的變量。從加速度計算出速度和位移，從傳感器輸出的加速度信號會通過數字或模擬的形式分別做一次和二次積分。這就導致了交流耦合的傳感器會產生問題。演示問題，設想采用交流傳感器測量一個寬脈沖半正弦波信號。固有的交流RC時間常數的限制，傳感器的輸出不能很好跟輸入脈沖吻合。同樣的原因，在脈沖的結束點，傳感器輸出將產生一個負向零點偏移。下圖展示了傳感器的輸出(紅色的曲線)和寬脈沖半正弦加速度輸入(藍色曲線) 的關系。看似微小的幅度上的差異在積分之后將產生重大的誤差1。直流響應的加速度傳感器卻沒有這樣的問題，其輸出準確的跟隨緩慢變化的輸入。在的日常應用中，輸入信號不是單純的半正弦脈沖，但是用交流耦合的傳感器測試緩慢變化的信號時這樣的問題始終會存在。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

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    現在我們看看各種常用的加速度傳感器技術。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    交流響應加速度傳感器最常用的交流響應加速度傳感器是采用壓電元件其敏感單元的。當有加速度輸入時，傳感器中的檢測質量塊“移動”使壓電元件產生正比于輸入加速度的電荷信號。從電學角看，壓電元件如同一個有源的電容器，其內阻在10x9歐姆級別。由內阻和電容決定了RC時間常數，這也決定了傳感器的高頻通過特性。原因，壓電加速度傳感器不能用于測量靜態事件。壓電元件可來自于自然界或人造。有不同的信號轉換效率和線性。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    市場上有兩類壓電加速度傳感器-電荷輸出型，電壓輸出型。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    電荷輸出型加速度傳感器主要的壓電加速度傳感器采用鋯鈦酸鹽陶瓷，具有很寬的工作溫度范圍，寬的動態量程，寬的頻率范圍(頻率>10kHz)。電荷輸出型加速度傳感器把壓電陶瓷封裝在具有氣密性的金屬外殼中。具有抵抗嚴酷環境的能力，其具有非常好的耐久性。其具有很高的阻抗，該傳感器配合電荷放大器和低噪聲屏蔽電纜使用，最好是同軸電纜。低噪音電纜是指指其具有低的摩擦電噪聲，這是一種運動產生的來自電纜本身的噪聲。傳感器廠家提供這種低噪聲電纜。電荷放大器和電荷輸出型加速度傳感器連接，從而可以消除電纜電容和傳感器電容并聯帶來的影響。配合先進的電荷放大器，電荷輸出型加速度傳感器很實現寬的動態響應(>120dB)。壓電陶瓷的工作溫度范圍很寬，有些傳感器可以用于-200°C到+400°C，甚至更寬溫度的環境。特別適合極限溫度下的振動測試，如渦輪引擎的監測。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    電壓輸出型加速度傳感器另一種壓電加速度傳感器輸出電壓信號而不是電荷信號。這種傳感器的內部包含了電荷放大器。電壓模式的傳感器有3線式(信號，地，電源)和2線式(信號/電源，地)。2線式又被稱為集成電路式壓電傳感器(IEPE)。可以方便的采用同軸線(2線，芯線和屏蔽線)連接，IEPE非常流行。該模式下，交流信號疊加在直流電源上。在輸出端串聯一個耦合電容去掉傳感器的直流偏置電壓，從而僅獲得傳感器信號輸出。許多現代儀器提供IEPE/ICP 輸入接口，從而可以和IEPE傳感器直接連接。IEPE供電接口不，一個帶有恒流源的信號放大器和IEPE傳感器一期使用。3線式傳感器則一根單獨的直流電源線供電。與電荷輸出型加速度傳感器不同的是，除了壓電陶瓷元件，電壓輸出型加速度傳感器包含一個微型電路，電路的工作溫度范圍限制了傳感器的整體工作溫度范圍，通常不超過125°C。也有設計提高到了175°C，但其在性能會有所下降。動態范圍-壓電陶瓷元件具有極寬的動態范圍，電荷輸出型加速度傳感器在量程定義上顯得十分靈活，其滿量程可以通過遠程的電荷放大器由用戶自由調節。而電壓輸出型加速度傳感器具有既定的滿量程，其決定于內部的電荷放大器，一旦由工廠生產出來，將不再能改變。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

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直流響應加速度傳感器   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    兩種技術經常被用來制作直流響應加速度傳感器：電容型壓阻型   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    電容型   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    電容型(隨加速度變化，由檢測質量塊引起電容變化)加速度傳感器在當今是最通用的。在某些領域無可替代，如安全氣囊，手機移動設備等。高的產量使得該類傳感器成本低廉。但是這種低成本的傳感器受制于較低的信噪比，有限的動態范圍。的電容型加速度傳感器都具有內部時鐘，該時鐘(~500kHz)是檢測電路必不可少的部分，泄漏經常會對輸出信號產生干擾。這種噪聲的頻率遠高于測量信號的頻率，不會對測量結果造成影響，但是它始終和測試信號疊加在一起。內置了放大器芯片，其具有3線(或4線差分輸出)接口。只要有直流供電便能工作。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    電容型加速度傳感器的工作帶寬限制在幾百Hz，部分原因是其具有大的內部結構和重的空氣阻尼。電容型加速度傳感器適合測量低量程的加速度，其上限在100g以內。除了這些限制，現代的電容型加速度傳感器，特別是儀用級別的器件，具有很好的線性和高的穩定性。電容型加速度傳感器通常適合板載測試，成本低是一個原因。對于低頻運動測試，加速度也低，是一個理想的選擇。例如土木工程中的振動測試。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    壓阻型   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    壓阻型加速度傳感器是另一種廣泛應用的直流響應加速度傳感器。不同于電容型加速度傳感器通過電容的變化測量加速度，壓阻型加速度傳感器通過應變電阻值的變化輸出加速度信號，應變電阻是傳感器慣性感應系統的一部分。工程師熟悉應變片，并知道如何測量其輸出。大多數的壓阻型傳感器對溫度變化敏感，因而對其輸出信號在傳感器內部或外部做溫度補償?，F代壓阻型加速度傳感器包含一個專用集成電路做在板信號，也包含溫度補償。壓阻型加速度傳感器的工作頻率可達5000Hz。許多壓阻型加速度傳感器要么采用空氣阻尼(MEMS型)，要么   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    采用液體阻尼(粘貼應變片型)。阻尼特性是選擇傳感器的一個重要因素。某些應用下，輸入的機械振動包含高頻成份(或激發高頻響應)，帶阻尼的傳感器可以防止本身產生振鈴(諧振)，從而保留或增大了動態范圍。壓阻型加速度傳感器的輸出是差分的純電阻信息，信噪比通常很好;其動態范圍僅受限于后接直流放大器的品質。對于高加速度沖擊測試，某些壓阻型加速度傳感器測量到超出10000g的加速度。具有寬的頻率響應能力。壓阻型加速度傳感器適合做脈沖、碰撞測試，在這些測試中頻率和加速度通常都很高。具有直流響應能力的傳感器，通過其加速度輸出，使用者可以得到無積分誤差的速度和位移信息。壓阻型加速度傳感器通常應用于汽車安全測試，武器測試，地震測試等。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    小結   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />

    每種加速度傳感器技術都有其優缺點。在作出選擇之前，明確的區別和測試是非常重要的。首先也是最重要的是，對于測量靜態加速度或低頻加速度 (<1Hz)的應用，用加速度計算速度和位移的應用，選擇具有直流響應的加速度傳感器。直流和交流響應的加速度傳感器都可以測量動態信號。當僅量動態信號時，使用者可以各取所好。有些使用者不喜歡直流響應加速度傳感器的零點偏置，而更加喜歡交流耦合、單端輸出的壓電加速度傳感器。而另使用者不在乎零點偏置，習慣3線或4線接口，喜歡負載電阻自檢測試(shunt)，和重力加速度自檢測試(2g翻轉)功能。他們會選擇直流響應加速度傳感器。   <<版權聲明：本站內容部分來源于網絡，如侵犯到你的權利請及時與我們聯系更正，聯系QQ:316520686?！?br />