5 振動的測量

1、2021-6-14 模塊五模塊五 振動的測量振動的測量n振動是物體在其平衡位置附近作周期性往復(fù)運振動是物體在其平衡位置附近作周期性往復(fù)運動的運動形式。振動的存在會影響機器的正常動的運動形式。振動的存在會影響機器的正常運轉(zhuǎn)；利用振動現(xiàn)象又可以制造眾多設(shè)備，如運轉(zhuǎn)；利用振動現(xiàn)象又可以制造眾多設(shè)備，如振動壓路機、振動篩等。振動壓路機、振動篩等。n可見：可見：測量和分析振動現(xiàn)象測量和分析振動現(xiàn)象，抑制可能帶來的，抑制可能帶來的危害顯得十分必要。危害顯得十分必要。MK2021-6-14 模塊五模塊五 振動的測量振動的測量課題一課題一 振動傳感器振動傳感器課題二課題二 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器

2、課題三課題三 沖擊傳感器沖擊傳感器課題四課題四 微硅加速度傳感器微硅加速度傳感器2021-6-14任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入課題一課題一 振動傳感器振動傳感器 璃打碎報警裝置廣泛應(yīng)用于文物保管、貴重璃打碎報警裝置廣泛應(yīng)用于文物保管、貴重商品保管及商品柜臺等場合。感受玻璃振動的部商品保管及商品柜臺等場合。感受玻璃振動的部件壓電薄膜式件壓電薄膜式振動傳感器振動傳感器是報警裝置的核心。是報警裝置的核心。2021-6-14工作過程：工作過程： 玻璃打碎時發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的玻璃打碎時發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的振動，將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，感受振動，將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，感受到這一振動并轉(zhuǎn)換成

3、電壓輸出，經(jīng)一系列信號到這一振動并轉(zhuǎn)換成電壓輸出，經(jīng)一系列信號處理后傳送給集中報警系統(tǒng)。處理后傳送給集中報警系統(tǒng)。振動傳感器振動傳感器在這在這一系統(tǒng)中處于信息采集的前端。一系統(tǒng)中處于信息采集的前端。2021-6-14 在組成振動測量系統(tǒng)之前，首要任務(wù)是根據(jù)在組成振動測量系統(tǒng)之前，首要任務(wù)是根據(jù)測量范圍、要求的精度及安裝形式、價格等選擇測量范圍、要求的精度及安裝形式、價格等選擇合適的振動傳感器。合適的振動傳感器。 本課題的任務(wù)就是：了解常用振動傳感器的本課題的任務(wù)就是：了解常用振動傳感器的結(jié)構(gòu)、種類，熟悉各種振動傳感器的使用范圍及結(jié)構(gòu)、種類，熟悉各種振動傳感器的使用范圍及場所，學(xué)會選用、使用振動

4、傳感器，組成振動測場所，學(xué)會選用、使用振動傳感器，組成振動測量系統(tǒng)，完成振動測量任務(wù)。量系統(tǒng)，完成振動測量任務(wù)。 2021-6-14 知識點掌握振動測量的相關(guān)概念了解振動傳感器的工作原理 熟悉壓電式傳感器的原理和特性 技能點掌握振動傳感器的選用原則和壓電式振動傳感器的使用 2021-6-14相關(guān)知識相關(guān)知識一、振動基礎(chǔ)知識一、振動基礎(chǔ)知識 按振動形式分類，有機械振動、土木振動、按振動形式分類，有機械振動、土木振動、運輸工具振動等。運輸工具振動等。 按振動頻率分，有高頻、低頻和超低頻振動。按振動頻率分，有高頻、低頻和超低頻振動。 按振動原因分，又會有自由振動、強迫振動按振動原因分，又會有自由振動

5、、強迫振動和自激振動等。和自激振動等。 物體物體圍繞平衡位置圍繞平衡位置的的往復(fù)運動構(gòu)成振動。往復(fù)運動構(gòu)成振動。2021-6-14 振動的常用測量值有三個振動的常用測量值有三個: 振動位移振動位移、振動振動速度速度和和振動加速度振動加速度。 振動位移用振動位移用s表示，單位為表示，單位為mm或或m； 振動速度用振動速度用v表示，單位為表示，單位為m/s或或mm/s； 振動加速度用振動加速度用a表示，單位表示，單位m/s2，工程上常，工程上常用重力加速度用重力加速度g作為單位作為單位 。 振動位移、振動速度和振動加速度之間相互振動位移、振動速度和振動加速度之間相互對應(yīng)，可通過簡單微積分運算進行換

6、算。對應(yīng)，可通過簡單微積分運算進行換算。2021-6-14 周期周期 物體振動一次所需的時間。頻率是周期的物體振動一次所需的時間。頻率是周期的倒數(shù)，即每秒鐘物體振動的次數(shù)，單位為赫茲。倒數(shù)，即每秒鐘物體振動的次數(shù)，單位為赫茲。 振幅振幅 振動物體偏離平衡位置的最大距離。工程振動物體偏離平衡位置的最大距離。工程上常用單峰值、峰峰值和有效值等指標(biāo)反映。上常用單峰值、峰峰值和有效值等指標(biāo)反映。 諧振諧振 振動頻率接近系統(tǒng)固有頻率時，振動迅速振動頻率接近系統(tǒng)固有頻率時，振動迅速增大，產(chǎn)生諧振。此時的頻率為諧振頻率。增大，產(chǎn)生諧振。此時的頻率為諧振頻率。2021-6-14 振動系統(tǒng)模型中的主要部件為質(zhì)量

7、塊振動系統(tǒng)模型中的主要部件為質(zhì)量塊m，彈簧，彈簧k和阻和阻尼器尼器c。質(zhì)量塊受外力作用后按一個固定頻率作自由振動。質(zhì)量塊受外力作用后按一個固定頻率作自由振動。因此可以因此可以用質(zhì)量塊的振動間接反映物體的振動用質(zhì)量塊的振動間接反映物體的振動。根據(jù)質(zhì)。根據(jù)質(zhì)量塊頻率與被測物振動頻率的關(guān)系不同，可制成振動位量塊頻率與被測物振動頻率的關(guān)系不同，可制成振動位移、速度和加速度傳感器。移、速度和加速度傳感器。二、振動傳感器二、振動傳感器2021-6-14振動傳感器的常用分類：振動傳感器的常用分類：振動傳感器振動傳感器接觸式接觸式 非接觸式非接觸式電渦流式電渦流式電感式電感式壓電式壓電式電容式電容式霍爾式霍爾

8、式光電式光電式 壓電式傳感器壓電式傳感器由于測量頻率寬、量程大、體積由于測量頻率寬、量程大、體積小、對被測件的影響小，安裝使用，成為最常用小、對被測件的影響小，安裝使用，成為最常用的測振傳感器。的測振傳感器。2021-6-14 壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)沿一定方向上受到外力作壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)沿一定方向上受到外力作用變形時，內(nèi)部被極化，其表面產(chǎn)生電荷；外力去用變形時，內(nèi)部被極化，其表面產(chǎn)生電荷；外力去除后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)的現(xiàn)象。除后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)的現(xiàn)象。 三、三、壓電式振動傳感器壓電式振動傳感器 壓電材料：具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料。壓電材料：具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料。

9、這種物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體，人工制造這種物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體，人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇等。常見的壓電材料可分為三的壓電陶瓷、鈦酸鋇等。常見的壓電材料可分為三類，即單晶體壓電晶體、多晶體壓電陶瓷和高分子類，即單晶體壓電晶體、多晶體壓電陶瓷和高分子壓電薄膜。壓電薄膜。2021-6-14超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用醫(yī)用B超換能器用壓電陶瓷晶片超換能器用壓電陶瓷晶片2021-6-14高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）等 2021-6-142021-6-14壓電式傳感器工作原理壓電式傳感器工

10、作原理 工作過程中以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。壓電晶片的兩工作過程中以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。壓電晶片的兩個工作面構(gòu)成兩個電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力個工作面構(gòu)成兩個電極。當(dāng)壓電晶片受到壓力F的的作用時，在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的作用時，在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，檢測電荷量的多少可以測量受力大小。電荷，檢測電荷量的多少可以測量受力大小。FDQQ為電荷量；為電荷量；F為作用力（為作用力（N）；）；D為壓電常數(shù)（為壓電常數(shù)（C / N）任務(wù)實施任務(wù)實施本任務(wù)中振動傳感器要求小巧輕便，靈敏度較高本任務(wù)中振動傳感器要求小巧輕便，靈敏度較高磁電式速度傳感器在該場合下不適用；同時，櫥窗在磁電式速度傳感

11、器在該場合下不適用；同時，櫥窗在日常使用時易移動，用電渦流傳感器進行非接觸測量日常使用時易移動，用電渦流傳感器進行非接觸測量也不方便。也不方便。以石英晶體或壓電陶瓷為核心的普通小型壓電傳以石英晶體或壓電陶瓷為核心的普通小型壓電傳感器在報警系統(tǒng)使用初期出現(xiàn)過。由于個頭較大，目感器在報警系統(tǒng)使用初期出現(xiàn)過。由于個頭較大，目前已改為高分子壓電薄膜結(jié)構(gòu)的傳感器。前已改為高分子壓電薄膜結(jié)構(gòu)的傳感器。使用時，用瞬干膠粘貼在玻璃上，玻璃破碎瞬間使用時，用瞬干膠粘貼在玻璃上，玻璃破碎瞬間，壓電薄膜感受劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷，在輸出引，壓電薄膜感受劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷，在輸出引腳間產(chǎn)生窄脈沖電壓，經(jīng)電纜輸送到

12、集中報警裝置，腳間產(chǎn)生窄脈沖電壓，經(jīng)電纜輸送到集中報警裝置，產(chǎn)生報警情號。產(chǎn)生報警情號。2021-6-142021-6-14名名 稱稱工工 作作 原原 理理特特 點點應(yīng)應(yīng) 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域電 渦流 位移 傳感器電渦流效應(yīng)；輸出信號與振動位移成正比非接觸測量；能做靜態(tài)和動態(tài)測量；材料不同會影響傳感器線形范圍和靈敏度；需外加電源和前置器，安裝復(fù)雜靜位移的測量；振動位移的測量；旋轉(zhuǎn)機械中監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的振動測量磁 電式 速度計電磁感應(yīng)原理，輸出信號與振動速度成正比安裝簡單，適用于大多數(shù)機器環(huán)境；無須外加電源，振動信號可直接使用；體積較大，活動部件易損壞，低頻響應(yīng)不好；標(biāo)定較麻煩，只可作動態(tài)測量，價格較貴汽

13、輪發(fā)電機組振動，有合適的頻響范圍壓 電式 加速 度計壓電效應(yīng)，輸出信號與振動加速度成正比體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，不易損壞；環(huán)境噪聲、傳感器安裝對測試影響較大；價格較貴，需設(shè)電荷放大器振動測量、沖擊測試、動平衡校準等2021-6-14本課題作業(yè)：本課題作業(yè)：1 1、振動的測量值有哪些？如何合理選用這些測、振動的測量值有哪些？如何合理選用這些測量值及對應(yīng)的振動傳感器？量值及對應(yīng)的振動傳感器？2 2、何謂壓電效應(yīng)？常用的壓電材料有哪些？、何謂壓電效應(yīng)？常用的壓電材料有哪些？3 3、振動測量的常用指標(biāo)有哪些？、振動測量的常用指標(biāo)有哪些？4 4、為什么說壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量而、為什么說壓電式傳

14、感器只適用于動態(tài)測量而不能用于靜態(tài)測量不能用于靜態(tài)測量? ?2021-6-14課題二課題二 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入 提升機是各類礦井中使用的與生活中常見的提升機是各類礦井中使用的與生活中常見的電梯類似的運輸設(shè)備。電梯類似的運輸設(shè)備。 對于國內(nèi)大量存在對于國內(nèi)大量存在 的設(shè)備老化的礦井，提升的設(shè)備老化的礦井，提升機及其容器的運行過程遠沒有民用電梯車廂那樣機及其容器的運行過程遠沒有民用電梯車廂那樣平穩(wěn)，存在較大的振動。為了保證礦井主運輸通平穩(wěn)，存在較大的振動。為了保證礦井主運輸通道的安全，相關(guān)部門對提升機各部件的檢測周期道的安全，相關(guān)部門對提升機各部件的檢測周期及標(biāo)準

15、做出明確要求，其中振動檢測是重要組成及標(biāo)準做出明確要求，其中振動檢測是重要組成環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。2021-6-14 提升容器振動檢測提升容器振動檢測中常利用振動傳感器把中常利用振動傳感器把振動信號轉(zhuǎn)化為電信號振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大后傳送給采集，經(jīng)放大后傳送給采集裝置采集和保存數(shù)據(jù)。裝置采集和保存數(shù)據(jù)。 這里使用的振動傳這里使用的振動傳感器是基于壓電效應(yīng)工感器是基于壓電效應(yīng)工作的作的壓電式加速度傳感壓電式加速度傳感器器。2021-6-142021-6-14 知識點了解壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及基本測量電路掌握壓電式加速度傳感器的選用 技能點壓電式加速度傳感器的使用2021-6-14一、傳感器結(jié)構(gòu)

16、及測量電路一、傳感器結(jié)構(gòu)及測量電路 壓電加速度傳感器由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、壓電加速度傳感器由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座、外殼等部分組成。壓電片用壓電陶瓷制成，兩壓基座、外殼等部分組成。壓電片用壓電陶瓷制成，兩壓電片并聯(lián)，質(zhì)量塊對壓電元件施加預(yù)載荷。測量時，傳電片并聯(lián)，質(zhì)量塊對壓電元件施加預(yù)載荷。測量時，傳感器與被測物體剛性連接，質(zhì)量塊與物體一起運動。感器與被測物體剛性連接，質(zhì)量塊與物體一起運動。相關(guān)知識相關(guān)知識2021-6-14 當(dāng)被測物體產(chǎn)當(dāng)被測物體產(chǎn)生加速度時，質(zhì)量生加速度時，質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力塊將產(chǎn)生慣性力F1 。大小為大小為 F1=m*a 。從而作。從而作用在壓電元件上的

17、用在壓電元件上的壓力壓力F為：為：010FFFFma壓電元件上產(chǎn)生與加速度壓電元件上產(chǎn)生與加速度a對應(yīng)的電荷：對應(yīng)的電荷：11110()QdFdFma與與ma對應(yīng)的是電荷的增量為：對應(yīng)的是電荷的增量為：11Qdma2021-6-14 將壓電元件產(chǎn)生的電荷輸出給電荷放大器，將壓電元件產(chǎn)生的電荷輸出給電荷放大器，則電荷放大器的輸出電壓的增量則電荷放大器的輸出電壓的增量110ffd maQuCC 可知，電荷放大器的輸出電壓的增量與加速度可知，電荷放大器的輸出電壓的增量與加速度a成正比。只要將輸出電壓測出，即可獲得構(gòu)件的成正比。只要將輸出電壓測出，即可獲得構(gòu)件的加速度。加速度。 在電路中增加積分電路，

18、還可測出物體的振動在電路中增加積分電路，還可測出物體的振動速度和振動位移量。速度和振動位移量。2021-6-14電荷放大器電荷放大器 理由：理由： 振動傳感器可采用電壓放大、電荷放大等多種振動傳感器可采用電壓放大、電荷放大等多種形式得到足夠大的輸出值。壓電式加速度傳感器如形式得到足夠大的輸出值。壓電式加速度傳感器如采用電壓輸出則線路簡單、線性度及穩(wěn)定度較好，采用電壓輸出則線路簡單、線性度及穩(wěn)定度較好，但需配置輸入阻抗很高的放大器，并且電壓靈敏度但需配置輸入阻抗很高的放大器，并且電壓靈敏度受電纜長度的影響較大；用電荷輸出不僅可以得到受電纜長度的影響較大；用電荷輸出不僅可以得到穩(wěn)定的輸入，還能改善

19、低頻特性。穩(wěn)定的輸入，還能改善低頻特性。壓電式加速度傳感器通壓電式加速度傳感器通常配用常配用電荷放大器電荷放大器。電荷放。電荷放大器實際上是一個具有深度大器實際上是一個具有深度負反饋的高增益運算放大器負反饋的高增益運算放大器。 二、傳感器的合理選擇二、傳感器的合理選擇壓電加速度傳感器的主要參數(shù)有：壓電加速度傳感器的主要參數(shù)有：靈敏度靈敏度K 靈敏度即每一單位輸入得到的輸出靈敏度即每一單位輸入得到的輸出量。靈敏度單位為量。靈敏度單位為pC / (ms-2) 或或pC / g（g為標(biāo)準重為標(biāo)準重力加速度力加速度 ）。通常靈敏度的范圍為）。通常靈敏度的范圍為10-100pC/g。測量范圍測量范圍 常

20、用的測量范圍為常用的測量范圍為0.1100g。頻率范圍頻率范圍 大多數(shù)壓電加速度傳感器的頻率大多數(shù)壓電加速度傳感器的頻率范圍為范圍為0.1Hz至至10kHz。從其頻率范圍下限大于。從其頻率范圍下限大于0Hz可知，這種傳感器不適于靜態(tài)值的測量?？芍?，這種傳感器不適于靜態(tài)值的測量。2021-6-14 、傳感器的校準、傳感器的校準 絕對法、相對法絕對法、相對法三、壓電式加速度傳感器的使用三、壓電式加速度傳感器的使用 、傳感器的安裝、傳感器的安裝測點的選擇要根據(jù)測量目的來確定。安裝方法有螺測點的選擇要根據(jù)測量目的來確定。安裝方法有螺釘安裝、磁吸盤安裝、粘貼安裝和云母片安裝等釘安裝、磁吸盤安裝、粘貼安裝

21、和云母片安裝等。 、使用注意事項、使用注意事項引起壓電式加速度傳感器測量誤差的原因除去測量引起壓電式加速度傳感器測量誤差的原因除去測量頻率外，還有環(huán)境影響及噪聲頻率外，還有環(huán)境影響及噪聲2021-6-14任務(wù)實施任務(wù)實施提升容器質(zhì)量較大，運動過程中的振動頻率符合提升容器質(zhì)量較大，運動過程中的振動頻率符合壓電加速度傳感器的測量范圍。工作過程中傳感器質(zhì)壓電加速度傳感器的測量范圍。工作過程中傳感器質(zhì)量塊與被測容器的振動加速度基本一致，可以很好地量塊與被測容器的振動加速度基本一致，可以很好地反映提升容器的振動。反映提升容器的振動。用電荷放大器組成用電荷放大器組成放大電路，配以數(shù)據(jù)采放大電路，配以數(shù)據(jù)采

22、集箱和振動分析軟件，集箱和振動分析軟件，組成振動測試系統(tǒng)?？山M成振動測試系統(tǒng)?？梢砸淮尾杉齻€相互垂以一次采集三個相互垂直方向的振動加速度信直方向的振動加速度信號，反映提升容器的運號，反映提升容器的運行平穩(wěn)度。行平穩(wěn)度。罐道布置方向加速度傳感器運行中的箕斗出圖、打印提升方向卸載方向 SSFas頻率分析軟件 電荷放大器筆記本 電腦多功能數(shù)據(jù)采集器2021-6-142021-6-14本課題作業(yè)：本課題作業(yè)： 1 1、壓電式加速度傳感器選擇過程中需要考、壓電式加速度傳感器選擇過程中需要考慮哪些因素？慮哪些因素？ 2 2、電荷放大器和電壓放大器用在振動測量、電荷放大器和電壓放大器用在振動測量電路中的區(qū)

23、別是什么？對于壓電式加速度傳感電路中的區(qū)別是什么？對于壓電式加速度傳感器，用哪一種放大器效果更好？器，用哪一種放大器效果更好？ 3 3、振動傳感器的安裝方式有哪些？使用最、振動傳感器的安裝方式有哪些？使用最多的是哪種方式？多的是哪種方式？2021-6-14任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入路基壓實度測試是一種重要的路基檢測手段。測路基壓實度測試是一種重要的路基檢測手段。測量時，使用裝有力和沖擊振動傳感器的錘。當(dāng)其從恒量時，使用裝有力和沖擊振動傳感器的錘。當(dāng)其從恒定高度自由落下時，給路基一個瞬態(tài)沖擊，由于路基定高度自由落下時，給路基一個瞬態(tài)沖擊，由于路基土密實程度不同，對振動沖擊能量的吸收也不同。通土密實程度不同

24、，對振動沖擊能量的吸收也不同。通過檢測到的沖擊響應(yīng)信號可以判斷路基的敦實程度。過檢測到的沖擊響應(yīng)信號可以判斷路基的敦實程度。這里用到的是一種特殊的振動傳感器這里用到的是一種特殊的振動傳感器沖擊傳感器沖擊傳感器。課題三課題三沖擊傳感器沖擊傳感器2021-6-14 知識點了解沖擊的概念及對傳感器的要求 熟悉沖擊傳感器的結(jié)構(gòu)和原理 技能點沖擊傳感器的適用場合和特殊要求相關(guān)知識相關(guān)知識一、沖擊傳感器一、沖擊傳感器沖擊實質(zhì)上是一種特殊的振動現(xiàn)象。由于沖擊實質(zhì)上是一種特殊的振動現(xiàn)象。由于在短時間內(nèi)有很強的能量釋放，在瞬間振動體產(chǎn)在短時間內(nèi)有很強的能量釋放，在瞬間振動體產(chǎn)生較大的振幅，并隨著時間的推移迅速衰

25、減。生較大的振幅，并隨著時間的推移迅速衰減。速度傳感器一般最大可測加速度值在速度傳感器一般最大可測加速度值在10g左右，左右，大量程振動速度傳感器可測加速度也僅為大量程振動速度傳感器可測加速度也僅為50g，位，位移傳感器測量加速度值的范圍更小。無法滿足沖移傳感器測量加速度值的范圍更小。無法滿足沖擊傳感器大量程檢測的需要，所以擊傳感器大量程檢測的需要，所以沖擊檢測必須沖擊檢測必須選擇加速度傳感器選擇加速度傳感器。2021-6-142021-6-14常用的沖擊加速度傳感器有：常用的沖擊加速度傳感器有： 壓電式?jīng)_擊傳感器壓電式?jīng)_擊傳感器 是一種特殊類型的壓電加速度傳感器是一種特殊類型的壓電加速度傳感

26、器 開關(guān)式?jīng)_擊傳感器（振動加速度開關(guān)）開關(guān)式?jīng)_擊傳感器（振動加速度開關(guān)） 是一種開關(guān)電器，用在某些安全裝置上。是一種開關(guān)電器，用在某些安全裝置上。 微硅加速度傳感器（微硅加速度傳感器（MEMS 傳感器）傳感器） 利用微機電系統(tǒng)（利用微機電系統(tǒng)（MEMS ）技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的）技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的芯片級傳感器。芯片級傳感器。2021-6-14二、壓電式?jīng)_擊傳感器二、壓電式?jīng)_擊傳感器結(jié)構(gòu)、原理與普通壓電加速度傳感器相同結(jié)構(gòu)、原理與普通壓電加速度傳感器相同，用，用于沖擊測量時選擇測量范圍大的沖擊類型；于沖擊測量時選擇測量范圍大的沖擊類型；顯著特點是顯著特點是內(nèi)置放大電路內(nèi)置放大電路，信號可直接送入信，信號

27、可直接送入信號采集設(shè)備，省略了電荷放大器，降低了成本號采集設(shè)備，省略了電荷放大器，降低了成本。2021-6-14三、開關(guān)式?jīng)_擊傳感器三、開關(guān)式?jīng)_擊傳感器利用加速度急劇變化時產(chǎn)生的較大的慣性力，利用加速度急劇變化時產(chǎn)生的較大的慣性力，使傳感器內(nèi)的慣件零件運動，從而接通或斷開電使傳感器內(nèi)的慣件零件運動，從而接通或斷開電路，輸出開關(guān)信號。典型應(yīng)用為安全氣囊點火裝路，輸出開關(guān)信號。典型應(yīng)用為安全氣囊點火裝置。目前這種開關(guān)有與置。目前這種開關(guān)有與MEMS結(jié)合的趨勢。結(jié)合的趨勢。2021-6-14 電路中采用兩個開關(guān)式加速度傳感器，常閉式傳電路中采用兩個開關(guān)式加速度傳感器，常閉式傳感器并聯(lián)在電發(fā)火管兩端，

28、常開式傳感器串接在控制感器并聯(lián)在電發(fā)火管兩端，常開式傳感器串接在控制單元與發(fā)火電路之間。單元與發(fā)火電路之間。 傳感器內(nèi)的慣性零件在慣性力的作用下動作，控傳感器內(nèi)的慣性零件在慣性力的作用下動作，控制單元輸出點火信號，使大功率場效應(yīng)管導(dǎo)通，電流制單元輸出點火信號，使大功率場效應(yīng)管導(dǎo)通，電流流過使發(fā)火管發(fā)生作用。流過使發(fā)火管發(fā)生作用。2021-6-14 微硅加速度傳感器微硅加速度傳感器是利用各種物理效應(yīng)和是利用各種物理效應(yīng)和微機械設(shè)計技術(shù)開發(fā)的微機械設(shè)計技術(shù)開發(fā)的傳感器芯片。傳感器芯片。 沖擊檢測的應(yīng)用常沖擊檢測的應(yīng)用常見于汽車輪胎防爆、安見于汽車輪胎防爆、安全氣囊點火裝置等方面，全氣囊點火裝置等方

29、面，在汽車電子中逐漸替代在汽車電子中逐漸替代傳統(tǒng)的加速度開關(guān)。傳統(tǒng)的加速度開關(guān)。四、微硅加速度傳感器四、微硅加速度傳感器下一課題中詳細介紹！下一課題中詳細介紹！為了進行有效的沖擊測量，選擇為了進行有效的沖擊測量，選擇壓電式加速度沖擊傳感器壓電式加速度沖擊傳感器，其要求為：，其要求為： 1.頻率范圍寬；頻率范圍寬； 2.動態(tài)范圍寬，一般測量加速度可以達到動態(tài)范圍寬，一般測量加速度可以達到30000g； 3.對沖擊振動的頻響特性好；對沖擊振動的頻響特性好； 4.安裝、使用方便，體積小，重量輕。安裝、使用方便，體積小，重量輕。 測試方法采用自由落體落錘式瞬態(tài)沖擊法。采用測試方法采用自由落體落錘式瞬態(tài)

30、沖擊法。采用自由落體形式，能很方便地實現(xiàn)重錘以恒等能量沖自由落體形式，能很方便地實現(xiàn)重錘以恒等能量沖擊路基；采用落錘式，能以小的錘體重量獲得較大擊路基；采用落錘式，能以小的錘體重量獲得較大的沖擊能量，能量集中，可以增加測量深度。的沖擊能量，能量集中，可以增加測量深度。任務(wù)實施任務(wù)實施2021-6-142021-6-14路基測量過程中，檢測到的力和加速度響應(yīng)路基測量過程中，檢測到的力和加速度響應(yīng)信號，通過放大、濾波、峰值采樣、信號，通過放大、濾波、峰值采樣、A/D轉(zhuǎn)換、信轉(zhuǎn)換、信號分析和處理，得到路基土的壓實度測量值，最后號分析和處理，得到路基土的壓實度測量值，最后數(shù)字顯示和打印輸出。數(shù)字顯示和

31、打印輸出。2021-6-14本課題作業(yè)：本課題作業(yè)：1 1、常用的沖擊傳感器的類型和工作原理？、常用的沖擊傳感器的類型和工作原理？2 2、壓電傳感器用于沖擊測量時的要求、壓電傳感器用于沖擊測量時的要求? ?2021-6-14任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入 汽車安全氣囊系統(tǒng)在碰撞發(fā)生時，碰撞加速度汽車安全氣囊系統(tǒng)在碰撞發(fā)生時，碰撞加速度傳感器能將感受到的加速度信息轉(zhuǎn)換為電信號送往傳感器能將感受到的加速度信息轉(zhuǎn)換為電信號送往控制單元，控制單元中的微處理器對加速度進行處控制單元，控制單元中的微處理器對加速度進行處理和識別，判斷事故性質(zhì)。理和識別，判斷事故性質(zhì)。當(dāng)確認是碰撞事故時，控制單元輸出點火信號當(dāng)確認是碰撞事

32、故時，控制單元輸出點火信號給氣體發(fā)生器，產(chǎn)生大量壓力氣體，向氣袋充氣。給氣體發(fā)生器，產(chǎn)生大量壓力氣體，向氣袋充氣。氣袋沖破氣囊蓋形成充彈性體托住乘員的頭部、胸氣袋沖破氣囊蓋形成充彈性體托住乘員的頭部、胸部部。課題四課題四微硅加速度傳感器微硅加速度傳感器將加速度轉(zhuǎn)換為電信將加速度轉(zhuǎn)換為電信號的元器件除了可以采用號的元器件除了可以采用上一課題講到的加速度開上一課題講到的加速度開關(guān)，目前多采用微硅加速關(guān)，目前多采用微硅加速度傳感器。它的原理和使度傳感器。它的原理和使用要求將在本次課詳述。用要求將在本次課詳述。2021-6-142021-6-14 知識點了解微硅加速度傳感器的結(jié)構(gòu)和原理；熟悉微硅加速度

33、傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和特點。 技能點微硅加速度傳感器的應(yīng)用；相關(guān)知識相關(guān)知識微硅加速度傳感器是一種重要的力學(xué)量傳感微硅加速度傳感器是一種重要的力學(xué)量傳感器。器。這種傳感器由于在硅片上集成加速度傳感器，這種傳感器由于在硅片上集成加速度傳感器，具有體積小，重量輕，易于與測試、控制電路集具有體積小，重量輕，易于與測試、控制電路集成，有利于大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點，隨著這幾十成，有利于大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點，隨著這幾十年的發(fā)展，微硅加速度傳感器的研究得到越來越年的發(fā)展，微硅加速度傳感器的研究得到越來越廣泛的關(guān)注。廣泛的關(guān)注。目前，這種傳感器已有目前，這種傳感器已有壓阻式、電容式、隧壓阻式、電容式、隧道式、共振式

34、道式、共振式等幾種類型。等幾種類型。2021-6-142021-6-14一、壓阻式微硅加速度傳感器原理一、壓阻式微硅加速度傳感器原理 壓阻式加速度傳感器主要由一個懸臂梁構(gòu)成，壓阻式加速度傳感器主要由一個懸臂梁構(gòu)成，梁的一端固定，另一端懸掛一個能感應(yīng)由加速度產(chǎn)梁的一端固定，另一端懸掛一個能感應(yīng)由加速度產(chǎn)生的作用力的質(zhì)量塊。生的作用力的質(zhì)量塊。這種傳感器一般為三層這種傳感器一般為三層結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 頂蓋和底蓋通常為玻璃頂蓋和底蓋通常為玻璃或硅片，起密封和過載保護或硅片，起密封和過載保護作用，底座上還有前置放大作用，底座上還有前置放大和各種補償電路；中間層用和各種補償電路；中間層用體硅加工工藝加工出的

35、懸臂體硅加工工藝加工出的懸臂架和質(zhì)量塊，在懸臂架上用架和質(zhì)量塊，在懸臂架上用離子注入工藝制作出應(yīng)變電離子注入工藝制作出應(yīng)變電阻器。阻器。 當(dāng)質(zhì)量塊受到力運動時，當(dāng)質(zhì)量塊受到力運動時，由于由于應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)，電阻器的阻，電阻器的阻值變化，通過值變化，通過電橋電橋檢出電阻檢出電阻變化量，以求得加速度值。變化量，以求得加速度值。2021-6-142021-6-14 經(jīng)過經(jīng)過20年的研究和開發(fā)，壓阻式加速度傳感器年的研究和開發(fā)，壓阻式加速度傳感器的設(shè)計已經(jīng)比較成熟，它具有加工工藝簡單，測量的設(shè)計已經(jīng)比較成熟，它具有加工工藝簡單，測量方法易行，線性度好等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。方法易行，線性度好等優(yōu)點，得

36、到廣泛應(yīng)用。 但壓阻式加速度傳感器有兩個較嚴重的缺點但壓阻式加速度傳感器有兩個較嚴重的缺點: 溫度效應(yīng)嚴重；靈敏度較低。通過溫度控制電路可溫度效應(yīng)嚴重；靈敏度較低。通過溫度控制電路可以對溫度效應(yīng)進行補償，但提高靈敏度方面難度很以對溫度效應(yīng)進行補償，但提高靈敏度方面難度很大，很難測量大振幅大，很難測量大振幅 （高（高g值）的值）的 加速度值。加速度值。 采用另一種檢測方式的加速度傳感器采用另一種檢測方式的加速度傳感器電容式電容式微硅加速度傳感器微硅加速度傳感器的研究和開發(fā)是與壓阻式微硅加速的研究和開發(fā)是與壓阻式微硅加速度傳感器同步展開。度傳感器同步展開。二、電容式微硅加速度傳感器原理二、電容式微

37、硅加速度傳感器原理電容式微硅加速度傳感器是一種基于電容式微硅加速度傳感器是一種基于差動電容差動電容的靜電力平衡式閉環(huán)加速度傳感器。它主要由質(zhì)量的靜電力平衡式閉環(huán)加速度傳感器。它主要由質(zhì)量彈性元件、位移測量系統(tǒng)及信號調(diào)理電路等組成。彈性元件、位移測量系統(tǒng)及信號調(diào)理電路等組成。2021-6-142021-6-14彈性元件是由硅材料制成的橫梁，四角與活動折彈性元件是由硅材料制成的橫梁，四角與活動折疊片連接構(gòu)成運動部件。有加速度時，橫梁移動，帶疊片連接構(gòu)成運動部件。有加速度時，橫梁移動，帶動連接片移動。動連接片移動。中間極板與兩固定外極板組成差動電容。沒有加中間極板與兩固定外極板組成差動電容。沒有加速

38、度時，速度時，C1C2；有加速度時，；有加速度時，C1 C2。通過測量。通過測量電路將兩電容量的差值變化轉(zhuǎn)化為電量輸出，就能夠電路將兩電容量的差值變化轉(zhuǎn)化為電量輸出，就能夠測得相應(yīng)的加速度值。測得相應(yīng)的加速度值。微硅加速度傳感器為微硅加速度傳感器為芯片級芯片級產(chǎn)品（左圖為該芯產(chǎn)品（左圖為該芯片的引腳結(jié)構(gòu)），因此它與信號采集設(shè)備連接之前片的引腳結(jié)構(gòu)），因此它與信號采集設(shè)備連接之前需要一定的硬件接口電路。需要一定的硬件接口電路。接口電路板上除了放置傳感器芯片外，還包括接口電路板上除了放置傳感器芯片外，還包括穩(wěn)壓電路、抗混濾波電路、溫度補償電路等部分。穩(wěn)壓電路、抗混濾波電路、溫度補償電路等部分。三、接口電路設(shè)計三、接口電路設(shè)計2021-6-142021-6-14 硅傳感器內(nèi)部組件及其與主要外圍期間的連接如硅傳感器內(nèi)部組件及其與主要外圍期間的連接如圖所示