压电加速度计

加速度计加速度计accelerometer测量加速度的仪表。加速度测量是工程技术提出的重要课题。当物体具有很大的加速度时，物体及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同 样大的加速度的力，即受到动载荷。欲知动载荷就要测出加速度。其次，要知道各瞬时飞机、火 箭和舰艇所在的空间位置，可通过惯性导航（见陀螺平台惯性导航系统）连续地测出其加速度， 然后经过积分运算得到速度分量，再次积分得到一个方向的位置坐标信号，而三个坐标方向的仪 器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置。再如某些控制系统中，常需 要加速度信号作为产生控制作用所需的信息的一部分，这里也出现连续地测量加速度的问题。能 连续地给出加速度信号的装置称为加速度传感器。常见加速度计的构件如下：外壳（与被测物体固连）、参考质量、敏感元件、信号输出器等。加速度计要求有一定量程和精确度、敏感性 等，这些要求在某种程度上往往是矛盾的。以不同原理为依据的加速度计，其量程不同（从几个 g到几十万个g）,它们对交变加速度频率的敏感性也各不相同。常见的加速度计所依据的原理 有：参考质量由弹簧与壳体相连（见图），它和壳体的相对位移反映出加速度分量的大小，这 个信号通过电位器以电压量输出；参考质量由弹性细杆与壳体固连，加速度引起的动载荷使杆 变形，用应变电阻丝感应变形的大小，其输出量是正比于加速度分量大小的电信号；参考质量 通过压电元件与壳体固连，质量的动载荷对压电元件产生压力，压电元件输出与压力即加速度分 量成比例的电信号；参考质量由弹簧与壳体连接,放在线圈内部，反映加速度分量大小的位移改 变线圈的电感，从而输出与加速度成正比的电信号。此外，尚有伺服类型的加速度计，其中引入 一个反馈回路，以提高测量的精度。为了测出在平面或空间的加速度矢量，需要两个或三个加速输出输入度计，各测量一个加速度分量。淆授电位黑加連度计角加速度计的原理类似加速度计，它的外盒装在转动物体上，由于角加速度，在参考质量上产生切向 动载荷，可输出与切向加速度或角加速度大小成比例的信号。随被测运动物体和测量要求的不同, 加速度计有各种原理和实现方式。如在飞行器上，有按陀螺原理设计的陀螺加速度仪等。参考书目 D.N.Keast, Measureme nt in Mecha ni cal Dy namics,McGraw-Hill,New York,1967.加速度计accelerometer利用质量块的惯性力测量物体运动加速度的传感器，又称加速度传感器。加速度是物体运动速度的变化率，不能直接测量。为了获得较高的灵敏度，通常利用测 量质量块随被测物体作加速运动时所表现出的惯性力来确定其加速度。根据牛顿第二定律，力= 质量X加速度。在质量不变的情况下，测量惯性力就可以获得加速度值。最简单的加速度计由外 壳、质量块、力敏感元件和限制质量块与外壳之间相对运动的弹簧构成。测量时，外壳与被测物 体固定在一起运动，质量块也在限动弹簧的作用下随之运动。弹簧作用力的大小即等于质量块的 惯性力，由力敏感元件测出。加速度计是测量振动量（见机械量测量仪表）的常用传感器。加速度计 的种类繁多，分类方法也有多种。按用途可大致分为振动加速度计（用于动态测量）和单方向加 速度计（用于静态测量）。按复杂程度可大致分为非伺服式和伺服式（见力平衡式传感器）。常 用的振动加速度计有应变式加速度计和压电式加速度计等。用于单方向（静态）加速度测量的有 振弦式加速度计和摆式加速度计等。应变式加速度计它利用应变片（见半导体应变计X应变片电阻应变计）作为加速度计的力敏感元件。在这种传感器中，质量块支撑在弹性体上，弹性体上贴 有应变片（图1）。测量时，在质量块的惯性力作用下，弹性体产生应变，应变片把应变变为电阻值 的变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。弹性体做成空心圆柱形以增加传感器的 固有振动频率和粘贴应变片的表面积。另一种结构形式为悬臂梁式，弹性振梁的一端固定于外壳， 一端装有质量块。应变片贴在振梁固定端附近的上下表面上。振梁振动时，应变片感受应变。应 变片可在测量电路中接成差动桥式电路。应变片加速度计也适用于单方向（静态）测量。用于振 动测量时，最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比,测量频率可达3500赫。预压赞片图2基座压缩型压电式加速度计压电式加速度计它采用自然的、人造的或陶瓷的压电材料制成力敏感元件（见压电式传感器）。简单的压电式加速度计是在压电元件 上以一定预压力装一质量块而构成。压电元件固定于外壳基座上，质量块上用一个螺杆或弹簧片 施加预压力。测量时，质量块的惯性力作用于压电元件上，使之变形。在传感器的固有频率远大 于测量频率时，变形与加速度成正比。根据压电元件的特性，传感器输出与加速度成正比的电荷 量。压电式加速度计的结构形式繁多，可大致分为4类及其改进型。基座压缩型及改进型式。 它由基座、压电元件、质量块和预压簧片组成（图2）。它的特点是工作可靠、灵敏度和响应频率 高，但在温度和声音等外部干扰下预压力会改变而引起测量误差，国外已于70年代中期淘汰了 这种型式。其改进型式主要是从结构上改动，以隔离外壳和基座传递的干扰，提高性能。例如： 改用中心螺杆施加预压力的单端压缩型，能避免与外壳直接接触；将质量块和压电元件倒挂于基 座中的倒置中心压缩型,能隔离来自安装面的干扰;在基座上开槽的隔离基座压缩型，能增加抗基 座应变和热干扰的能力；采用薄壁弹性套筒施加预压力的隔离基座预载套筒压缩型，能对外部干 扰起双层屏蔽作用。环形剪切型。它的压电元件和质量块均为空心圆柱形，质量块粘套在压电 元件上，压电元件粘套在基座的圆柱上。压电元件系轴向极化，利用切变压电效应进行测量，在 压电元件的内外圆柱面上取电荷（图3）。它的性能优于其他结构，但过载能力稍差。另一种中 空环形剪切型具有相似的结构，但引线能从侧面任意方向引出，便于安装，而且整个装置能像垫 圈一样用标准螺栓通过中心孔安装到被测物体上。这是应用较多的一种先进的设计。悬臂梁弯 曲型。它的弯曲形压电元件被夹持在基座与导电柱之间，压电元件同时作为惯性质量。当传感器 受到机械振动时，压电元件（悬臂梁）在自身惯性力的作用下弯曲变形，同时输出正比于振动加 速度的电信号（图4）。它的特点是体积小，重量轻，而且灵敏度极高。剪切一压缩复合型。 它可同时测量三个方向的加速度，但不同于通常由三个质量块和三组压电元件组合成的结构，而 仅由一个质量块和三组压电元件构成（图5）。X、Y、Z三组压电元件分别敏感X、Y、Z三轴的 加速度分量。X组和Y组压电元件在测量时受到质量块和基座形成的沿各自方向的剪切力，并 分别输出正比于各自方向的加速度分量的电荷。Z组压电元件则与质量块构成中心压缩型压电加 速度计，用以测量Z轴的加速度分量。压电式加速度计应用广泛，在各种已使用传感器的总数中 占了一大半的比例。它在航空、航天、兵器、造船、纺织、农机、车辆、电气等各种系统中用于振动和冲击测试、信号分析、机械动态实验、环境模拟实验、振动校准、模态分析、故障诊断等。压电元件质量块基座图3环形剪切型加速度计压电元件7导电柱压电无件534悬臂梁青曲型 压电式加建度计振弦式加速度计它的质量块由上下张紧的金属丝振弦拉着。金属丝由激励器起振（图6）。当加速度按图示方向输 入时，上、下金属丝张力变化引起振动频率变化（见振弦式传感器）。用拾振器分别测出上、下 振弦的频率，进行比较后即可求出加速度值。这种结构对横向加速度不敏感，因为横向加速度对滥励Si两根金属丝产生的张力相等。ffl 6按弦灵拖建度计席理L pLTaj!jw JLiz rn 八j :阴尼启号发生髓电嫌经晒林/SThJ ?塞式寤速度计跟理摆式加速度计它的质量块为摆，力矩发生器则起限制弹簧的作用。沿敏感轴输入加速度时（图7）,摆相对于框架偏移，此时 信号发生器测出偏移信号，并经放大器放大后驱动力矩发生器以限制摆的偏移，力矩发生器的驱 动电流即表示加速度的大小。为了消除敏感轴的摩擦，摆浸在对摆具有中性浮力的液体中，并采 用磁悬挂来弥补摆的中性悬浮的不足。液体还起到阻尼作用。当有横向加速度存在时，传感器的 输出会产生误差，而且灵敏度越高，误差越大。解决这个问题需要引入反馈。 参考书目 张 是勉，杨树智编著：自动检测，科学出版社，北京，