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电机加速度传感器

简要描述:电机加速度传感器原理某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应",具有“压电效应"的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等

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  • 更新时间:2023-06-08
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详细介绍
品牌鹏宸电气应用领域环保,化工,石油,冶金

电机加速度传感器

电机加速度传感器


工作原理

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应",具有“压电效应"的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。                                              

构成

压电式加速度传感器 压电式加速度计的结构和安装压电式加速度计的结构形式

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常用的压电式加速度计的结构形式如图。S是弹簧,M是质量块,B是基座,P是压电元件,R是夹持环。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,并使预紧力发生变化, 易引起温度漂移。图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隔离作用,有较高的共振频率和良好的线性。图b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。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。

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

一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计,上限频率若取为共振频率的 1/3,便可保证幅值误差低于1dB(即12%);若取为共振频率的1/5,则可保证幅值误差小于0.5dB(即6%),相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关,加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接,因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。加速度计与试件的各种固定方法见图.

固定方法

简介

其中采用钢螺栓固定,是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔,以免引起基座 变形,影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计,但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上,也可用于低温(40℃以下)的场合。手持探针测振方法,在多点测试时使用特别方便,但测量误差较大,重复性差,使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用磁铁固定加速度计,使用方便,多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为:钢螺栓固定法31kHz,云母垫片28kHz,涂簿蜡层29kHz,手持法2kHz,磁铁固定法7kHz。

灵敏度

压电加速度计属发电型传感器,可把它看成电压源或电荷源,故灵敏度有电压灵敏度和 电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压(mV)与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。 加速度单位为m/s^2,但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位,1g= 9.80665m/s^2。这是一种已为大家所接受的表示方式,几乎所有 测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。

对给定的压电材料而言,灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说,加速度计尺寸越大 ,其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向(垂直于加速度计轴线)振动的敏感程度,横向灵敏度常以主灵敏度(即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度)的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向,一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3%。因此,压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

前置放大器

压电元件受力后产生的电荷量极其微弱,这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电 到电压U=q/Ca(这里Ca是加速度计的内电容)。要测定这样微弱的电荷(或电压)的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲,压电加速度计所用的前置放大器应具有输 入阻抗,把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。

压电式传感器的前置放大器有:电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单,但输出受连接电缆对地电容的影响,适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈,使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中,通常用高质量的元、器件,输入阻抗高,但价格也比较贵。

从压电式传感器的力学模型看,它具有“低通"特性,原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时,加速度 值小,传感器的灵敏度有限,因此输出的信号将很微弱,信噪比很低;另外电荷的泄漏,积分电路的漂移(用于测振动速度和位 移)、器件的噪声都是不可避免的,所以实际低频端也出现“截止频率",约为0.1~1Hz左右。

应用场合

在现代生产生活中被应用于许许多多的方面,如手提电脑的硬盘抗摔保护,目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。

 




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