加速度傳感器課程設計

1、<p><b>　　傳</b></p><p><b>　　感</b></p><p><b>　　器</b></p><p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p

2、><b>　　設</b></p><p>　　計 系別：機電工程系</p><p>　　專業(yè)：模具設計與制造</p><p><b>　　姓名</b></p><p><b>　　一、設計要求</b></p><p&g

3、t;<b>　　1、功能與用途</b></p><p>　　加速度傳感器在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應用于許許多多的方面，如手提電腦的硬盤抗摔保護，另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，自動調節(jié)相機的聚焦。而這些產(chǎn)品中由于要求對溫度的干擾有很大的免疫力，其中采用的都是壓電式加速度傳感器。壓電加速度傳感器還應用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)

4、等安全性能方面，靈敏度是壓電加速度傳感器應用時候要考慮到的重要因素之一。</p><p>　　概括起來，加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。</p><p><b>　　指標要求</b></p

5、><p>　　分別用壓電式傳感器、電阻應變式傳感器、電容傳感器實現(xiàn)加速度的測量將非電量轉化為電量輸出。</p><p><b>　　設計方案及其特點</b></p><p>　　依據(jù)壓電效應、電阻應變效應以電容相關的物理參數(shù)及性質隨外力而變化的特性，可制作成壓電式加速度傳感器、電阻應變式加速度傳感器及電容式加速度傳感器。三種加速度傳感器的設計及特點

6、分別敘述如下：</p><p>　　1、方案一 壓電式加速度傳感器</p><p>　　壓電加速度測量系統(tǒng)結構框圖如圖1所示：</p><p>　　壓電加速度傳感器采用具有壓電效應的壓電材料作基本元件 ,是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器。這些壓電材料 ,當沿著一定方向對其施力而使它變形時,內部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 ,同時在它的兩個相對的表面

7、上便產(chǎn)生符號相反的電荷;當外力去掉后 ,又重新恢復不帶電的狀態(tài);當作用力的方向改變時 ,電荷的極性也隨著改變。電信號經(jīng)前置放大器放大 ,即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小 ,從而得出物體的加速度</p><p>　　加速度計的使用上限頻率取決于幅頻曲線中的共振頻率圖2。</p><p>　　方案二 電阻應變式加速度傳感器</p><p>　　應變式加速度傳感

8、器主要用于物體加速度的測量。其基本工作原理是：物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反比，即a=F/m。</p><p>　　圖3中1是等強度梁，自由端安裝質量塊2，另一端固定在殼體3上。等強度梁上粘貼四個電阻應變敏感元件4 。 </p><p>　　測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a 運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用， 使懸臂

9、梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產(chǎn)生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。 電阻的變化引起應變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓， 即可得出加速度a值的大小。 </p><p>　　方案三 電容式加速度傳感器</p><p>　　電容加速度測量系統(tǒng)結構框圖如圖4所示：</p><p>　　測量振動體相對于大地或慣性空間的運動，通常采用慣性式測振傳感

10、器。慣性式測振傳感器種類很多，用途廣泛。加速度傳感器的類型有壓阻式、壓電式和電容式等多種，其中電容式加速度傳感器具有測量精度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小等優(yōu)點。而電容式加速度傳感器實際上是變極距差動電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構成的。其測量原理是利用慣性質量塊在外加速度的作用下與被檢測電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電容的變化來測定加速度的。</p><p>　　三、加速度傳感器工作原理</p>

11、<p>　　1、壓電式加速度傳感器</p><p>　　如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程)，片內的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉變?yōu)殡娦蛘哂蓹C械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應

12、。Y壓電陶瓷力與電荷之間的關系式： (1) 式中： —— 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F——作用力。 當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時,壓電元件受質量塊慣性的作用 ，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。設質量塊作用于壓電元件的力為 ，支座作用于壓電元件的力為 ，則有</p><p>　　(2) 　 </p><p>

13、　　式中 M 為質量塊質量; m 為晶片質量; a為物體振動加速度。</p><p>　　2、電阻應變式加速度傳感器</p><p>　　導體或半導體材料在受到外界力作用時，產(chǎn)生機械變形，機械變形導致其阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變效應”。導體或半導體的阻值隨其機械應變而變化的道理很簡單，因為導體或半導體的電阻（5）與電阻率及其幾何尺寸有關，當導體或半導體受到外力作

14、用時，這三者都會發(fā)生變化，從而引起電阻的變化。外界作用力與加速度成正比，由此可測得加速度的大小。</p><p>　　當金屬絲受拉力作用時,,相應變化為,, ，因而引起電阻變化為。對（5）式全微分可得:</p><p>　　(6) </p><p>　　兩邊同除以，把，帶入的電阻相對變化量為：</p><p&

15、gt;<b>　　(7)</b></p><p>　　由材料力學可知軸向應變和徑向應變的關系可表示為: (8)</p><p>　　綜合上式得: (9)</p><p>　　靈敏度 ：

16、 (10)</p><p>　　Ks稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示金屬絲產(chǎn)生單位應變時，電阻相對變化的大小。顯然，Ks越大，單位應變引起的電阻相對變化越大，故越靈敏。</p><p>　　半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為：</p><p><b>　　(11)</b>&

17、lt;/p><p>　　(12) </p><p>　　用應變片測量應變或應力時，根據(jù)上述特點，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應變值， 根據(jù)應力與應變的關系，得到應力值σ為 </p><p><b&g

18、t;　　(13)</b></p><p>　　由此可知加速度正比于應力，應力值正比于應變，而應變又正比于電阻值的變化，所以應力正比于電阻值的變化。這就是利用應變片測量的基本原理。</p><p><b>　　電容式加速度傳感器</b></p><p>　　由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電容量為 ：</p&g

19、t;<p><b>　　(14) </b></p><p>　　式中: ε——電容極板間介質的介電常數(shù)，，其中為真空介電常數(shù)，極板間介質的相對介電常數(shù)； A——兩平行板所覆蓋的面積；d——兩平行板之間的距離。</p><p>　　四、電路設計和參數(shù)計算</p><p><b>　　1、壓電式</b><

20、;/p><p>　　壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖 6 所示。</p><p>　　圖中 , 為運算放大器增益。,根據(jù)運算放大器理論和電路理論得電荷量為</p><p><b>　　（15）</b></p><p>　　式中 為反饋電容。將 代入式（15）得</p><p>　?。?6）

21、 若放大器開環(huán)增益足夠大 ,滿足>>時 ,式(16)可表示為 （17）</p><p>　　由式(17)可知，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此 ,并且與電纜分布電容無關。</p><p><b>　　電阻應變式</b><

22、/p><p>　　電阻應變式傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖 7 所示。</p><p>　　第一橋臂R1為應變片，當受應變時，若應變片電阻變化為，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓，則電橋不平衡，輸出電壓為：</p><p><b>　　電容應變式</b></p><p>　　電容式傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖 8

23、 所示。</p><p>　　如圖8所示，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。電橋的空載輸出電壓為 (21) 對變極距型電容傳感器，代入上式得 </p><p><b>　　(22) </b></p><p>　　電容傳感器的

24、容抗很高，特別是電源頻率較低時，容抗更高。因此應選用絕緣性能很好的陶瓷、石英、聚四氟乙烯等材料作為兩極板之間的支架，可大大提高兩極板之間的漏電組。當然，適當?shù)奶岣呒铍娫吹念l率也可以降低對材料絕緣性能的要求。</p><p><b>　　五、總結</b></p><p>　　壓電加速度傳感器是基于某些介質材料的壓電效應 , 是典型的有源傳感器 ,當材料受力作用而變形時

25、 , 其表面會有電荷產(chǎn)生 ,從而實現(xiàn)加速度的測量。壓電加速度測量系統(tǒng)的優(yōu)點是量程大 ,體積小 ,質量輕 ,結構簡單;且系統(tǒng)中增加了溫度補償 ,解決了普通壓電加速度傳感器受溫度影響大的缺點 ,提高了它的性能和可靠性 ,可廣泛應用于各種動態(tài)力、 機械沖擊與振動等測量領域 ,具有良好的開發(fā)前景與應用價值。</p><p>　　電容傳感器廣泛的應用于多種檢測系統(tǒng)中 ,用以測量諸如液位、壓力、位移、加速度等物理量。電容式傳

26、感器結構簡單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量，溫度穩(wěn)定性以及動態(tài)響應性好；但其容量受其電極的幾何尺寸等限制，使傳感器的輸出阻抗很高，因此傳感器的負載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須采取屏蔽措施，這就對電容測量電路提出了更高的要求。</p><p>　　隨著科學技術的迅猛發(fā)展 ,非物理量的測試與控制技術 ,已越來越廣泛地應用于生產(chǎn)生活的各個技術領域。目前 ,越來越

27、多的新型傳感器 出現(xiàn)在我們的生活中 ,傳感器的發(fā)展前景真是潛力無窮 。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應用[M].北京：高等教育出版社，1999</p><p>　　[2] 謝文和.傳感技術及其應用[M].北京：高等教育出版社，2004</p><p&g