加速度傳感器課程設(shè)計(jì)

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(shè)</b></p><p>　　計(jì) 系別：機(jī)電工程系</p><p>　　專業(yè)：模具設(shè)計(jì)與制造</p><p><b>　　姓名</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)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(yīng)用于許許多多的方面，如手提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)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(yīng)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(yīng)用時(shí)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(yīng)用在控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測，地震檢測，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。</p><p><b>　　指標(biāo)要求</b></p

5、><p>　　分別用壓電式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、電容傳感器實(shí)現(xiàn)加速度的測量將非電量轉(zhuǎn)化為電量輸出。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)</b></p><p>　　依據(jù)壓電效應(yīng)、電阻應(yīng)變效應(yīng)以電容相關(guān)的物理參數(shù)及性質(zhì)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(yīng)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(shè)計(jì)及特點(diǎn)

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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。這些壓電材料 ,當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 ,同時(shí)在它的兩個(gè)相對的表面

7、上便產(chǎn)生符號相反的電荷;當(dāng)外力去掉后 ,又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài);當(dāng)作用力的方向改變時(shí) ,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(jì)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(yīng)變式加速度傳感器</p><p>　　應(yīng)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(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，即a=F/m。</p><p>　　圖3中1是等強(qiáng)度梁，自由端安裝質(zhì)量塊2，另一端固定在殼體3上。等強(qiáng)度梁上粘貼四個(gè)電阻應(yīng)變敏感元件4 。 </p><p>　　測量時(shí)，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度a 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)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(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。 電阻的變化引起應(yīng)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(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：</p><p>　　測量振動(dòng)體相對于大地或慣性空間的運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)。而電容式加速度傳感器實(shí)際上是變極距差動(dòng)電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構(gòu)成的。其測量原理是利用慣性質(zhì)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(gè)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(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)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(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)

12、。Y壓電陶瓷力與電荷之間的關(guān)系式： (1) 式中： —— 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F——作用力。 當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí),壓電元件受質(zhì)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(shè)質(zhì)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(zhì)量塊質(zhì)量; m 為晶片質(zhì)量; a為物體振動(dòng)加速度。</p><p>　　2、電阻應(yīng)變式加速度傳感器</p><p>　　導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)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(yīng)變效應(yīng)”。導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨其機(jī)械應(yīng)變而變化的道理很簡單，因?yàn)閷?dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻（5）與電阻率及其幾何尺寸有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體受到外力作

14、用時(shí)，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(dāng)金屬絲受拉力作用時(shí),,相應(yīng)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(xué)可知軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)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(yīng)變時(shí)，電阻相對變化的大小。顯然，Ks越大，單位應(yīng)變引起的電阻相對變化越大，故越靈敏。</p><p>　　半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對變化為：</p><p><b>　　(11)</b>&

17、lt;/p><p>　　(12) </p><p>　　用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，根據(jù)上述特點(diǎn)，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時(shí)，便可得到被測對象的應(yīng)變值， 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)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(yīng)力，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而應(yīng)變又正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是利用應(yīng)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(zhì)分開的兩個(gè)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(zhì)的介電常數(shù)，，其中為真空介電常數(shù)，極板間介質(zhì)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(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)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(shí)際等效電路如圖 6 所示。</p><p>　　圖中 , 為運(yùn)算放大器增益。,根據(jù)運(yùn)算放大器理論和電路理論得電荷量為</p><p><b>　?。?5）</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(shí) ,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(guān)。</p><p><b>　　電阻應(yīng)變式</b><

22、/p><p>　　電阻應(yīng)變式傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖 7 所示。</p><p>　　第一橋臂R1為應(yīng)變片，當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)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(yīng)變式</b></p><p>　　電容式傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)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(gè)差動(dòng)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(shí)，容抗更高。因此應(yīng)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(dāng)然，適當(dāng)?shù)奶岣呒?lì)電源的頻率也可以降低對材料絕緣性能的要求。</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　壓電加速度傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) , 是典型的有源傳感器 ,當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)

25、 , 其表面會有電荷產(chǎn)生 ,從而實(shí)現(xiàn)加速度的測量。壓電加速度測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是量程大 ,體積小 ,質(zhì)量輕 ,結(jié)構(gòu)簡單;且系統(tǒng)中增加了溫度補(bǔ)償 ,解決了普通壓電加速度傳感器受溫度影響大的缺點(diǎn) ,提高了它的性能和可靠性 ,可廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)等測量領(lǐng)域 ,具有良好的開發(fā)前景與應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　電容傳感器廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量，溫度穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(fù)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(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,非物理量的測試與控制技術(shù) ,已越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)技術(shù)領(lǐng)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(xiàn)</b></p><p>　　[1] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1999</p><p>　　[2] 謝文和.傳感技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2004</p><p&g