压电式加速度传感器放大电路设计
Southwest University of Science and Technology
信息工程学院
本科课程设计报告
西南科技大学信息工程学院制
2019年01月
课程名称: 电子技术课程设计 设计题目: 加速度传感器放大电路设计
专业班级: 。。。 学生姓名: 。。。 学生学号: 。。。 指导教师: 。。。 教师职称:
。。。
起止日期: 2019.1.7-2019.1.17
学生邮箱:
。。。
西南科技大学
《电子技术课程设计》任务书
专业班级。。。学生姓名。。。学号。。。设计题目加速度传感器放大电路设计
设计任务书设计要求：
1．完成大致方案设计，并合理选择器件。
2．根据器件类型设计出合理的测量电路，并实现电路基本功能。3．实物焊接并调试完成。
4．撰写设计方案、以及详细实现过程。
交稿形式：?手写稿；?打印稿；?软件；?图纸；?其他
指导教师签名：
年月日学生签名：
年月日
学生日志与师生见面情况
时间完成工作进展情况或交流情况师生见面时间地点2019.1.7 分配题目。。。2019.1.8 进行设计准备。。。2019.1.9 设计硬件电路。。。2019.1.10 进行电路分析。。。2019.1.11 完成仿真电路。。。2019.1.12 准备元器件。。。2019.1.13 开始焊接。。。2019.1.14 请教电路疑问。。。2019.1.15 完成实物，并调试。。。2019.1.16 完成实验及实验报告。。。
学生签名：
年月日
西南科技大学信息工程学院
《电子技术课程设计》综合评价表
专业班级。。。学生姓名。。。学号。。。
设计题目加速度传感器放大电路设计
过程评分（占总分比例为40%）
评价环节课程目标指标点分值合格得分小计设计方案目标1 文献阅读，方案比较与方案设计。10 6~10
设计水平任务完成目标2
应用基本原理与技术，展示的设计水
平；软硬件设计、实验或仿真设计与分
析、技术指标完成情况、工作量。
20 12-20
学习意识目标5 自主学习能力、按时完成设计。10 6~10
同意答辩； 不同意答辩。
指导教师签名：年月日
设计报告评分（占总分比例为30%）
评价环节课程目标指标点分值合格得分小计
设计方案设计能力目标1
理论与实践的结合情况，设计的合理
性；应用所学知识解决问题的能力。20 12~20
报告质量目标3 报告撰写、文字、图表及格式的规范性。10 6~10
评阅教师签名：年月日
答辩评分（占总分比例为30 %）
评价环节课程目标指标点分值合格得分小计
任务验收目标2 软硬件设计或仿真实验完成度，指标完
成情况。20 12~20
答辩目标4 陈述效果、回答问题情况；论文文字表
述、逻辑性、图表规范性。10 6~10
答辩小组成员签名：
年月日总评成绩（三项评分和）
备注
说明：（1）评分说明：优：90-100；良：80-89；中：70-79；及格：60-69；不及格：<60。
（2）优秀率：控制在总人数的15-20%之内，并且宁缺毋滥。
（3）课程教学目标根据大纲需求进行调整。
加速度传感器放大电路设计
摘要：现代工业和自动化生产过程中，设备的冲击和振动信号通常采用压电加速度传感器来获取，然后需经电荷放大器对传感器输出的电荷信号进行电荷—电压转换，方可用于后续的方大、处理，因此电荷放大器是必不可少的二次仪表。本设计采用LM358P芯片对压电式加速度传感器的输出信号进行放大，通过电路的仿真设计与调试以及实际电路板的焊接,验证了该电路的可行性和可靠性。通过设计，掌握了电路设计的基本方法与技能，达到了课程设计的目的。
关键词：放大电路加速度传感器LM358P
第1章设计任务分析与设计方案选择传感器是人们生活中常见的电子器件，而加速度传感器更是运用在生活的方方面面，本设计作为加速度传感器的放大电路，主要功能是将加速度传感器输入的脉冲信号进行放大后输出。方案设计将简单介绍部分原件以及加速度传感器的选择运用。综合比较多种加速度传感器，综合运用所学知识设计电路，完成设计要求。
1.1 设计任务分析
本设计为压电式加速度传感器放大电路设计，其核心在于收集采样信号和信号放大两个方面。信号的输入需要选择合适的传感器，信号放大也需要相应的电荷放大器。本次课程设计的难点在于输入信号的产生与采集。输入信号的采集过程中会出现大量的杂波信号干扰信号的采集，如何排除干扰，采集到我需要的输入信号是本次课程设计的难点。1.2 设计方案选择
常用的加速度传感器有压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器。考虑到本设计所需要的灵敏度较高，且操作方便，材料易得，故选用压电式加速度传感器，以下是三种传感器的优劣分析。
1.2.1 压电式加速度传感器
压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
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。这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。
1.2.2 压阻式加速度传感器
压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。压阻式加速度传感器的输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。它对底座应变和热
瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应），因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，如军工冲击波试验。压阻式加速度传感器的灵敏度通常比较低，因此非常适合冲击测量，广泛用于汽车碰撞测试、运输过程中振动和冲击的测量、颤振研究等。
1.2.3 电容式加速度传感器
电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。
1.2.4伺服式加速度传感器
伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由"m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。
由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。
1.3 总体方案
经方案研究，最终确定为采用LM358P芯片构成同相放大器，将同相放大器并联电容过滤衰减干扰波，减小由干扰波带来的误差。给同相放大器加一个大电阻构成电压放大器，对压电式加速度传感器进行信号放大，最后将放大后的输出信号与加速度传感器的输入信号用示波器显示出来，对比波形，分析数据。
第2章 硬件电路设计
方案设计完毕以后，接下来是实际电路的选择设计。硬件电路不同于仿真电路，合理的选择实际的元器件是实验能否成功的决定性因素。将理论值改为实际值，将理论分析改为实践分析。考虑到元器件的价格等方面，使用简单方便的电路或元器件代替不可实现的仿真器件是每个设计者的必修课。
2.1放大电路
放大电路亦称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一、也是构成其他电子电路的基础单元电路。所谓放大，就是将输入的微弱信号(简称信号，指变化的电压、电流等)放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。只有在不失真的情况下放大才有意义。本设计中可用到电荷放大器或电压放大器对传感器输入信号进行放大。 2.1.1电荷放大器
压电传感器与电荷放大器的连接电路如图：
图2-1 电荷放大器
在理想运放条件下，图中R 和C 两端电压均为0，即流过电流为0，因此电荷源电流全部流过2Z ，即F F //C R 。故有：
(2-1)
电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系为
式中
可见电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为
即
可见电荷放大器输出电压0U 与压力传感器所受力也具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为
由此可见，在采用电荷放大器的情况下，灵敏度只取决于反馈电容F C ，而与电缆电容
c C 无关，因此在更换电缆或需要使用较长电缆时，无需重新矫正灵敏度。
在电荷放大器的实际电路中，灵敏度的调节可采用切换F C 的办法。通常F C 在100~10000pF
之间选择。为了减小零漂，提高放大器工作的稳定性，一般在反馈电容的两
(2-2)
(2-3)
(2-4)
(2-5)
(2-6)
端并联一个大电阻F R ，约Ω14
1010~10，其功用是提供直流负反馈。
电荷放大器的时间常数F F C R 相当大，下限截至频率低达Hz 103-6
?，上限高达100kHz ，
输入阻抗大于
Ω12
10，输出阻抗小于100Ω，因此压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。
上式中ω不能为0，所以不论采用电压放大还是电荷放大，压电式传感器都不能测量频率太低的的被测量，特别是不能测量静态参数。因此压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力。 2.1.2电压放大器
压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示：
图2-2 电压放大器
图中电压放大器输入电压为
式中
电压放大器增益为 输出电压为
jw
w K C
i K Q
U U 0
10+==?
?
?
jw
w C
Q jwc R
Q jwc R
I i U 0
111
jw 1
+=
+=
+=
?
?
?
?
RC
w 10=
R
R K 2
11+
=(2-7)
(2-8)
(2-9)
(2-10)
输出电压与输入电荷之间的转换关系为
由式可见电压放大器输出电压与输入电压之间的转换关系具有一阶高通滤波特性，其转换灵敏度为
即
由式可见为扩展传感器工作频带的低频端，须减小0ω ，据式就应增大C 或增大R ，但增大C 会降低灵敏度，所以一般采取增大R ，应配置输入电阻R1很大的前置放大器。
连接电缆电容c C 改变会引起C 改变，进而引起灵敏度改变，所以当更换传感器连接电缆时必须对传感器进行标定，这是采用电压放大器的一个弊端。
2.2低通滤波电路
压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值严重地引起了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰。为此,需在放大器中采用低通滤波器,以补偿传感器引起的高频幅频特性.另外,在某些振动测试中,电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要,而无用的高频带的存在对低频测试只会带来坏的影响,所以在系统中就非常有必要采用低通滤波器,他只能让低频交流分量通过,使无用的高频分量受到较大的衰减。
滤波器种类很多,有LC 的,也有RC 的,又分为有源和无源的.无源的RC 低通滤波器具有线路简单,抗干扰性强,有较好的低频范围工作性能等优点,并且体积较小,成本较低,所以在系统中被广泛采用.但是,由于他的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,故选择欠佳,为了克服这个缺点,在RC 网络上加上运算放大器等有源元件,组成有源RC 低通滤波器.
jw
w K C
Q
K U Q
U 0
1i 0+=
=?
?
?
?
2
000)(11
||
ω
ω
+==?
?
C
K Q U Q
U 2
000)(11
||ω
ω+==??
C Kd F U F U (2-11)
(2-12)
(2-13)
有源RC低通滤波器在通带内不仅可以没有衰减,还可以有一定的增益.因为我们测量的信号频率不是很高,所以我们采用的是二阶RC有源滤波器,其特点是简单,易调节,
2.3 Multisim仿真
在初步分析好电路后，我采用Multisim做了一个初步的电路仿真如图2-3-1，在制作仿真电路的过程中，首先应该考虑输入信号的频率大小以及类型。本题目中输入信号为模拟的压电式加速度传感器输入信号，因此我将压电式加速度传感器信号进行了测量。用手摇晃加速度传感器，使之产生一段信号输出，并且使用示波器采集信号。在实验过程中，我得到了一段正弦波，并且该正弦波具有明显衰减。因此在电路仿真中，我选择采用电压为1v、频率为1k HZ正弦波作为输入信号。同时我测得传感器内部电容约为20nF，因此，我串联了一个20nF的电容上去作为模拟信号源。
图2-3 电路仿真图
为了让其低频信号能够通过，通过公式确定电阻R1的值约为10M左右，R2和R3决定放大倍数，R3为滑动变阻器能够调节放大倍数防止波形失真。在R3两端并联一个电容可以起到滤掉干扰波的作用。使用示波器采集放大信号，观察信号放大情况，并且根据仿真电路图焊接实物。
图2-4 仿真波形图
仿真波形如图2-4所示，输出信号的峰值约为8.5V，加速度传感器的输入峰值约为1.3V，放大倍数约为6.5倍，符合实验要求，滑动滑动变阻器可以调整放大倍数，改变输
出波形大小。
第3章硬件电路调试与分析
3.1 实物调试
实物焊接完成以后，将焊接好的实物进行调试。首先检查实物是否出现短路或断路情况，使用电流计测试电路板情况。确认电路板无短路、断路情况后，将学生电源调节至12V，将电源两级连接至LM358P芯片的4、8引脚，完成电源连接。将压电式加速度传感器连接至信号输入端，将示波器连接至信号输出端与输入端。实物连接好以后打开学生电源，观察没有短路现象后，用力晃动加速度传感器，观察示波器的波形。
图3-1 传感器输入波形图
观察输入波形图，传感器输入信号是一个逐渐衰弱的正弦波信号，信号从巅峰逐渐衰减。
图3-2 输出波形图
对比两个波形图我发现设计的放大电路确实将压电式加速度传感器输入的信号放大，并且一定程度上保证波形不失真。
3.2 误差分析
3.2.1 连接电缆的固定
连接的电缆虽然是低噪音电缆，但若固定不当，也会产生一些噪音，电缆的机械运动会引起电缆电容和电荷的变化，主要是低频噪音，所以在实验室时应在传感器近端，把电缆固定，使电缆在传感器近端尽可能平直。
3.2.2 接地点的确定
当电荷放大器、压电加速度传感器、记录仪器组成测试系统时，往往由于接地点选择不当，引入很大的干扰，严重时使测量无法进行。其原因是各点地电位不相等，如果在不同接触点与连接电缆间形成对地的回路电流，此电流就形成了一个干扰源。因此测量系统最好只有一个接地点。接地点位置的选择往往需要用实测方法决定，但一般来说最好选在记录和读出装置上。
总结
本次课程设计用时十天，设计题目为加速度传感器放大电路。由于不是第一次参加课程设计，所以本次课程设计还算顺利。首先是Multisim的使用。本次课程设计的电路不是特别复杂，因此在用Multisim仿真的时候，也不会有很多的困难。但是依旧调试了很多遍，主要在于元器件的采用，做了很多的功夫。有一些元器件是在不断尝试中总结归纳出来的，而有一些是通过计算得来的，在做好仿真图以后更要对仿真图进行运行分析，观察示波器显示的波形，观察放大倍数，观察电路是否运行。在仿真图调试完毕以后，将仿真图焊接为实物，首先要将仿真图进行规划调整、调整布局，思考布线，尽量将电路板充分完整的运用，不要出现交叉重叠。将电路板元器件在草稿纸上演化一遍，排列好布局布线后才可以进行焊接。实验的一些元器件包括8兆的电阻的，非常难以寻找。因此在结合实际情况下我将该电阻进行适当的妥协。我采用10兆的电阻来代替8兆的电阻。在焊接实验中，我依旧有许多的不足，在一些锡线当中可能有一些短路，在焊接完以后出现了问题，发现不能正常的工作，于是需要一个地方，一个地方的查错。经过我的努力后，终于排除了错误，得到了一个可以运行的板子。接下来要对这个板子的功能进行分析，判断这个板子是否达到了设计的要求。于是我借用了实验室的学生电源、示波器等工具进行采样收集。一开始得到的波形错误，在探究错误的原因后调整滑动变阻器，在多次试验当中掌握了加速度传感器的使用规律。发现了加速度传感器波形的渐变过程。最终得以完成实验，得到了符合设计要求的加速度传感器放大电路。
在本次设计中，我发现了很多问题，比如说在设计怎么去焊接这个板子的时候除了你要注意你所用的器件之外，你还要注意怎么样去分配布局，把有限的空间好好利用起来。哪些地方应该焊锡线，哪些地方应该搭飞线，这些都应该提前计划好。我第一次制作失败的一个重要原因，就是没有提前将这些东西计划好。如果我下一次还会做这个实验的话，我会提前先把这个焊接的电路图画出来。现在电路图上分配好布局布线，然后再进行实物焊接。这样一来会节省时间，二来也不容易出错。同时还会减小焊接的难度。在本次实物制作的过程中，我的焊接技术也有了很大幅度的提升。从一开始焊接的时候，我几乎不太会焊接，第一次还失败了。然后到第一次制作实物的时候，我已经能够焊接的差不多了，虽然中间焊接出了问题，导致有些地方有些元器件被我烧坏了，不能用。但是第一次焊接对我来说是一次非常宝贵的经验。等到第二次制作实物的时候，我的焊接技术基本上可以使用了。但是我缺少了一个提前布局布线的一个准备。所以导致了第二次制作实物，虽然
制作出来了，但是非常的粗糙。这也是一个非常遗憾的事情，我下一次在做课程设计的时候，我将会牢记这些东西，然后，在焊接的过程中更加的完善。
主要设计加速度传感器放大器，测试放大倍数。
主要完成工作：
（1）系统硬件设计包括电荷放大器、压电式加速度传感器。
（2）完成系统调试，做好multisim的仿真
（3）完成实物，做好实物分析。
本次设计尚有几处地方需要完善：
（1）放大倍数的调整不方便
（2）无法显示
参考文献
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[9]王君, 凌振宝.传感器原理及检测技术[M].吉林大学出版社, 2003.
附录附录1、
系统照片
附录2、
仿真电路图
压电式加速度传感器
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 《传感器原理及应用》课程 考核论文 题目压电式加速度传感器班级机设七班 学号 20111488 姓名孙国强 成绩 机械与汽车工程学院机械电子工程系 二零一四年五月
压电式加速度传感器 摘要：现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动 态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。其中，压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。 一、传感器物理效应及工作原理 压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失，又称电致伸缩效应。 压电材料:石英晶体是目前广泛应用成本较低的人造石英晶体，有很大的机械强度和稳定的机械性能，温度稳定性好，但灵敏度低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替，至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。除此之外，压电陶瓷有较高的压电系数和介电常数，灵敏度高，但机械强度不如石英晶体好。 压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它是典型的有源传感器，利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。 压电加速度传感器的原理框图如图1所示，原理如图2所示。
加速度传感器的选择
加速度传感器选型 压电加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。在一般通用振动测量时，用户主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构、内置电路型与纯压电型的区别，现场环境与后续仪器配置等。 一、灵敏度的选择 制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量程范围，目的是让用户在选择不同灵敏度的加速度传感器时能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。 估算方法：最大被测加速度×传感器电荷（电压）灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入电荷（电压）值。建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：以电荷输出型压电加速度传感器为例： 1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右，可选电荷灵敏度在300pC/ms-2～ 30pC/ms-2的压电加速度传感器，属于电荷输出型压电加速度传感器 2、特殊的土木结构（如桩基）和机械设备的振动在100ms-2～1000ms-2，可选择20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度传感器。 3、冲击，碰撞测量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2～ 0.002pC/ms-2的加速度传感器。 二、频率选择 制造商给出的加速度传感器的频响曲线是用螺钉刚性连接安装的。 一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差给出的，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的，但也有特例，如轴承故障检测。选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz～1kHz，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz～ 5kHz 的加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时，除以60s 此时它的主频率为50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。 加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)。 安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。我们给出同一只AD500S 加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接（±10%误差）10kHz；环氧胶或“502”粘接安装6kHz；磁力吸座安装 2kHz；双面胶安装1kHz。由此可见，安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，质量大，使用频率低，这也是选择的技巧。 三、内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。 中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。 四、内置电路 内置的概念是将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP) 两种，下面所指内装电路专指ICP
PE和IEPE加速度传感器的比较.doc
P E和I E P E加速度传感器的比较 PE是指电荷输出型压电式加速度传感器，IEPE是指内置处理电路的压电式加速度传感器，本文将要讨论二者各自的特点。 压电效应 压电式加速度传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。当这些物质在某一方向上因受到拉力或压力的作用而产生变形时，其表面上会产生电荷；当去掉外力时，它们又会回到不带电的状态，这种现象就是压电效应。常用的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等等。实际上，当压电材料受到剪切力、横向拉力或压力时，也会产生压电效应。 PE加速度传感器 PE压电式加速度传感器的工作原理是：将质量块的加速度转换为其对压电材料所施加的力，通过测得该力的大小从而换算出加速度的值。 压电式加速度传感器的结构原理如下图所示。两片压电片组成了其压电元件，表面有镀银层，中间夹有一金属片，并焊有输出引线，另一输引线直接与基座相连。压电片上放有一个比重较大的质量块，并用一硬弹簧或螺栓对其施加预载荷。整个组件封装在一个金属壳体内部，基座一般较为厚重且刚度大。 测量时，传感器与被测物刚性固定在一起，当被测物振动时，传感器与基座也会产生相同的振动。由于质量块的质量相对较小，而弹簧的刚度相对很大，所以可认为质量块的惯性很小。因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。于是，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上，使其两个表面产生交变电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，亦即与被测物的加速度成正比。 由于PE传感器的输出量为电荷，因此其后端必须与电荷放大器或电压放大器连接，才能将电荷信号转换为电压信号，此电压信号经过后级放大、滤波等调理电路即可送入示波器等设备。由于PE传感器的输出阻抗较高，易受输出的电荷信号易受噪声干扰，因此必须使用特殊的低噪声电缆。 IEPE加速度传感器 由于PE加速度传感器有必须配接外部电荷放大器使用，并且信号在长距离传输过程中容易受干扰等一些缺点，因此出现了IEPE加速度传感器。 IEPE压电式加速度传感器的结构原理如上图所示，它其实就是将PE加速度传感器所需的处理电路集成到传感器内部，这样就可以直接输出一个高电平、低阻抗的电压信号，也有
压电式加速度传感器及其应用备课讲稿
压电式加速度传感器 及其应用
压电式加速度传感器及其应用 一、 压电式加速度传感器原理 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。 二、压电式加速度传感器构成元件 常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，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。 预压弹簧压电元件外壳质量 块基座
三、压电式加速度传感器幅频特性 图1 压电式加速度计的幅频特性曲线 加速度 限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图1）。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。 四、压电式加速度传感器的灵敏度 压电式加速度计的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/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。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
压电式加速度传感器的信号输出形式
电荷输出型 传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。 低阻抗电压输出型（IEPE） IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。 传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择 压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.360docs.net/doc/033705087.html,/
常用加速度传感器有哪几种分类
1、常用加速度传感器有哪几种分类各有什么特点 答：加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。 压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。 压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。 电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。 相比之下，压电式传感器应用更为广泛一些，压阻式也有一定程度的应用，而电容式主要专用于低频测量。 2、压电式传感器又分哪几种 答：压电式传感器有多种分类方式。 按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。 按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。压缩式结构最简单，价格便宜，但是不能有效排除各种干扰；剪切式受干扰影响最小，目前最为常用，但是制造工艺要求较高，所以价格偏高；弯曲变形梁式比较少见，其结构能够产生较大的电荷输出信号，但是测量频率范围较低，受温度影响易产生漂移，因此不推荐使用。 按信号输出的方式分为电荷输出式和低阻抗电压输出式（ICP）。电荷输出式直接输出高阻抗电荷信号，必须通过二次仪表转换成低阻抗电压读取，而高阻抗电荷信号较容易受干扰，所以对测试环境、连接线缆等的要求较高； 而ICP型传感器内部安装了前置放大器，直接转换成电压信号输出，所以相对有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、能实现远距离测量等优点，目前正逐步取代电荷输出式传感器。 3、选择压电式加速度传感器时有哪些基本原则 答：选择一般应用场合的压电式加速度传感器时，要从三个方面全面考虑： ①振动量值的大小②信号频率范围③测试现场环境。 作为一般的原则，灵敏度高的传感器量程范围小，反之灵敏度低的量程范围大，而且一般情况下，灵敏度越高，敏感芯体的质量块越大，其谐振频率也越低，如果谐振波叠加在被测信号上，会造成失真输出，因此选择时除
加速度传感器选用
工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。 描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。 传感器的种类选择 ·压电式- 原理和特点 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常
大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 ·压阻式 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。 ·电容式 电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器 （1）压电式加速度计的结构和安装 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。 构形式如图所示。S M是质块，B是基座，P是压 电元件，R是夹持环。图是中 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极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的 线性。图为环形剪切型，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。
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线 中的共振频率图（图）。一般小阻尼(z<=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（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。 其中图采用钢螺栓固定，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（图）， 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（图），也可用于低温（40℃ 持探针测振方法（图）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 。用专用永久磁铁固定加速度计（图），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（图）或粘接剂（图）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 ，永久磁铁固定法7kHz 。 （2）压电式加速度计的灵敏度 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= 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。
加速度传感器的选择
加速度传感器的选择 传感器的种类选择 压电式传感器的敏感芯体材料和结构形式 压电式加速度传感器的信号输出形式 传感器灵敏度，量程和频率范围的选择 传感器的整体封装设计与电缆 外界环境对测量传感器的影响 工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。 描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。 ?传感器的种类选择 ·压电式- 原理和特点 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
PZT 压电加速度传感器的设计
PZT 压电加速度传感器的设计 １.1 课题研究的目的和意义 加速度传感器应用与设计的要求最初是由航空航天、机器人、军事领域中对物体控制等特殊领域中提出的。例如,在航空航天领域，由于各种运载工具和飞航系统在飞行过程中，来自自身推力系统产生的振动以及大气环境的影响而产生的振动直接影响系统的飞行姿态和运行轨迹。因此，必须随时监测其各类负载的振动状态。但是长期以来，我国各种大型运载工具和飞行器上测控用的加速度传感器都是单轴结构，只有一维功能,故无法提供全面的加速度信息,必须同时采用多个一维加速度传感器,这在一定程度上制约了对飞行器飞行姿态测试和控制的精确性和有效性。显而易见，只能获取一维加速度分量与时获得测量处六维加速度信息是有着本质上的区别的。所以对多维加速度传感器的研究具有明显的科学技术价值与重要意义，因此对多维加速度传感器的研制不仅在机器人领域而且在其它领域仍然意义重大。多维加速度传感器的研制国内外还处于起步阶段，所以寻求一种新的途径进行多维加速度传感器的设计成为多维加速度传感器设计的一项重要课题。多维加速度传感器一般是由敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。除自源型传感器外，还需外加辅助电源，用框图表示如下。 结合振动轮系统理论分析结论,采用如图4所示的测量系统，选择某样机在
施工现场测取系统的主要响应信号。由分离的加速度计、电荷放大器、数据采集测试仪组成振动测量系统,该系统主要技术指标如下 通道数为8；采集方式为多通道并行;Ａ/Ｄ分辨率为12ｂｉt;最高采样频率为1MHz;频率范围为０1５Hｚ～６kHｚ;低通滤波器的衰减斜率为-12ｄB／O ＣT;加速度测量范围为0~5０m/ ｓ２;数据存储深度为任意（视硬盘空间而定) 。 图1.2 总的设计框图 可以看出,弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度,弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要,是传感器设计的关键。由于磁电式速度传感器存在响应频率范围小,机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点,近年发展了压电式加速度传感器,压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、耐高温、测量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点。尤其是它没有活动部件，因此维护方便、使用寿命长,它是测量振动和冲击的一种较为理想的传感器。同时在压电式加速度传感器的基础上，增加积分电路，还可实现速度输出。同样,这种传感器也全部实现了内置,具有替换磁电式速度传感器的趋向。所以,将压电式加速度传感器应用于多维加速度传感器的设计中,必然是今后多维加速度传感器发展的一种趋势,有着非常重要的理论意义和实用价值。其在飞机、汽车、船舶、桥梁、堤坝和建筑的振动和冲击测量中已得到了广泛的应用,尤其是在航空和宇航领域中的
压电加速度传感器的原理
压电加速度传感器的原理 应用压电效应的压电型加速度传感器，要根据用途选择不同的压电效果。 从结构上看，各自特点如下： （a）压缩型（纵向效果）具有高机械强度，适用于冲击测试等各种测量要求。 （b）剪切型（厚度切变效果）不易受到由于温度变化产生的热电气的影响。 （c）挠曲型（横向效果）具有低频高敏度的特点。 三者结构如下图（a）（b）（c）所示，区别在于压电体受到的应力方向不同，其基本原理则大致相同。 ※热电气的说明：压电体的结晶在无电流无应力状态下发生极化，此现象称为自发极化，通常用 Ps 表示。具有 Ps 特性的结晶，其热振动状态会随温度变化，其大小会随热膨胀发生变化。因此 Ps 是温度函数，结晶的温度变化量会成为 Ps 的变化量，并在结晶表面产生相应的电位差（正效应），反之施加电流产生相应的温度变化（逆效应）。此现象我们称之为热电气。
现在仅对加速度传感器运动方向为上下的情况进行说明，如上图（a）（b）中，k 代表压电体的弹性常数，D 代表空气阻抗等各种衰减。如图（a）中在基座上施加位移x0向上的加速度 a0，弹性常数 k 如图（b）所示，被压缩位移 y。 此时，施加到质量块 m 上的力 F 可用以下公式表示。 接下来，我们利用牛顿第二定律[力 F=质量 m×加速度 a]，可以推导出以下公式。
因此，比弹性质量系（质量块、压电体、基座）的固有共振频率低时，从上述公式可以得出，加速度传感器的加速度 a0 和压电体受到的惯性力 F=m?a 成比例关系，另外与频率不相关。 而且如果是压缩型的话，惯性力 F 给压电体施加了纵向的应力，此时产生的电荷可以由公式推导得出来。 此时，d33、m 是一定的，因此加速度 a0 与 Q 成一定比例关系。下面根据压电体的静态电容C 将电荷 Q 转换成电压 V。根据Q=CV可将公式表示为： 此时，静态电容 C 为一定的话，a0 与 V 也成一定比例关系。 如上所示，压电型加速度传感器，基座受到的加速度最终会以电压形式输出。电荷及电压输出都与加速度成一定比例关系，因此通过测量电荷和电压即可得出加速度。一般电荷输出称为电荷灵敏度，电压输出称为电压灵敏度。
加速度传感器
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。 加速度测量的方法有：电感式、压电式、电容式、谐振式、光纤式、力平衡式等。 压电式 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 压阻式 基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。 电感式 电感式加速度传感器可分为自感式传感器和互感式传感器两种类型，而常用的自感式传感器又有变气隙式、变面积式与螺管式三种。 单片式 加速度传感器正朝着单片集成化的方向发展。 单片加速度传感器内含加速度传感器和信号调理器，只需配数字电压表（DVM），即可取代传统测振仪。 铁路应用
加速度传感器在高速铁路的测速和定位技术中成为当前的主流产品。 随着高速铁路飞速发展，在时速超过350km／h的高速铁路线路上，列车的测速定位问题 显得越来越重要。 测速和定位的精度问题从根本上制约着高速铁路列车运行中自动控制系统的控制精度。为 确保列车运行安全，并充分发挥运输效能，只有时刻掌握高速列车运行的即时速度和位置，才能确保列车的正点到达和安全运行。传统的轨道电路定位法由于定位粗糙、精度不够， 并且无法检知列车的即时速度，难以满足高速列车的定位要求。还有一种利用电机方式实 现测速定位方法，该方式只适用于列车运行速度较低的线路。测速和定位还可通过外加输 入信号直接获取列车的位置和速度信息，但该方式的测量精度受到一些因素的制约，在性 价比方面存在局限性。加速度传感器在高速铁路的测速和定位技术中成为当前的主流产品，应用较广。 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力是物体在加速过程中作用在物体 上的力，可以是常量或变量。一般加速度传感器根据压电效应原理工作，加速度传感器利 用其内部由于加速度造成的晶体变形产生电压，只要计算出产生的电压和所施加的加速度 之间的关系，就可将加速度转化成电压输出。还有很多其他方法制作加速度传感器，如电 容效应、热气泡效应、光效应，但其最基本的原理都是由于加速度使某种介质产生变形， 通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 轮轴脉冲转速传感器是利用车轮的周长作为“尺子”测量列车走行距离，根据所测距离测算 列车运行速度。虽然可以用轮轴脉冲转速传感器来测定了车的速度。然而，存在一定缺陷：即车轮空转或打滑会使列车速度的测量结果存在误差，为解决此类问题，在列车车轴上加 装一个加速度传感器，配合脉冲转速传感器使用。该方式工作原理：在列车打滑期间，把 机车的内加速度作为测速的信息源，该信息与车轮旋转的状态等信息不相关，而在其余工 作时间仍用轮轴脉冲传感器测速，所以该方式称为基于惯性加速度传感器的测速。在车轮 打滑时，由加速度传感器测得加速度及车轮打滑前加速度的倾斜分量，而计算出车轮打滑 时的列车运行加速度，再将该值积分即得车轮打滑时列车实时运行的速度。 在高速列车运行过程中，能否准确及时地获得列车位置信息是列车安全有效运行的保障。 相对传感器是根据预先确定的或先前测量的距离、位置等信息所安装的一种设备。该 方式目前由轮轴传感器实现。其工作原理：将传感器输出频率与轮轴转速成正比的脉冲信号，通过对频率进行一系列换算先得出速度，再由速度对时间进行积分得到距离。相对传 感器在工作时必须首先确定其相对于大地的绝对位置和取向。为此，在地面适当位置必须 加装地面传感器，俗称信标。当机车通过时，车上感应器接收到地面传感器提供的绝对位 置信息，使列车对距离信息进行更新，得到新的初始位置，从而克服了相对传感器的误差 缺陷。由于相对传感器工作的局限性，绝对传感器成为未来高速铁路运行中列车定位的主 流技术。绝对传感器可直接提供绝对位置和取向信息，进而实现列车的测距定位。
PE和IEPE加速度传感器的比较
PE和IEPE加速度传感器的比较 编辑：易择传感资讯网 PE是指电荷输出型压电式加速度传感器，IEPE是指内置处理电路的压电式加速度传感器，本文将要讨论二者各自的特点。 压电效应 压电式加速度传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。当这些物质在某一方向上因受到拉力或压力的作用而产生变形时，其表面上会产生电荷；当去掉外力时，它们又会回到不带电的状态，这种现象就是压电效应。常用的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等等。实际上，当压电材料受到剪切力、横向拉力或压力时，也会产生压电效应。 PE加速度传感器 PE压电式加速度传感器的工作原理是：将质量块的加速度转换为其对压电材料所施加的力，通过测得该力的大小从而换算出加速度的值。 压电式加速度传感器的结构原理如下图所示。两片压电片组成了其压电元件，表面有镀银层，中间夹有一金属片，并焊有输出引线，另一输引线直接与基座相连。压电片上放有一个比重较大的质量块，并用一硬弹簧或螺栓对其施加预载荷。整个组件封装在一个金属壳体内部，基座一般较为厚重且刚度大。
测量时，传感器与被测物刚性固定在一起，当被测物振动时，传感器与基座也会产生相同的振动。由于质量块的质量相对较小，而弹簧的刚度相对很大，所以可认为质量块的惯性很小。因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。于是，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上，使其两个表面产生交变电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，亦即与被测物的加速度成正比。 由于PE传感器的输出量为电荷，因此其后端必须与电荷放大器或电压放大器连接，才能将电荷信号转换为电压信号，此电压信号经过后级放大、滤波等调理电路即可送入示波器等设备。由于PE传感器的输出阻抗较高，易受输出的电荷信号易受噪声干扰，因此必须使用特殊的低噪声电缆。 IEPE加速度传感器 由于PE加速度传感器有必须配接外部电荷放大器使用，并且信号在长距离传输过程中容易受干扰等一些缺点，因此出现了IEPE加速度传感器。 IEPE压电式加速度传感器的结构原理如上图所示，它其实就是将PE加速度传感器所需的处理电路集成到传感器内部，这样就可以直接输出一个高电平、低阻抗的电压信号，也有一些IEPE传感器可以输出电流信号甚至是数字信号。它可以用普通的同轴电缆来输出信号，并且不需要后续的放大电路，直接连至示波器等设备。 但是，IEPE传感器在将处理电路集成到内部的同时，也带来了一些问题，下表显示了这两种加速度传感器的主要特性区别。
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器 Last updated on the afternoon of January 3, 2021
压电式加速度传感器 （1）压电式加速度计的结构和安装 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石 英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测 振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量 甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放 大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录 器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方 便了使用，而且也大大降低了成本。 示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是 压电元件，R是夹持环。图是中央安装压 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极好 的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图为环形剪切型，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。 (z<=的加速度计，上限频率 1/3，便可保证幅值误差低于1dB 12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误 6%），相移小于30。但共振频率与加速度
加速度传感器及压电式传感器应用
加速度传感器及压电式传感器应用 摘要：加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。通过加速度的测量，本文简单介绍了加速度传感器的种类、原理及相关应用并着重介绍了压电式加速度传感器。 关键词：加速度，传感器，应用 一加速度传感器概况 加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量，加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。 测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路进行的，在(1～64)Hz的设备频率下典型的加速度测量范围为(0．1～10)g。。加速度传感器的种类繁多，依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，压电材料产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。下表为部分加速度计的检测方法及其主要性能特点。 (~(~ (~(~
(~ ~ ((~ 部分加速度计的检测方法及其主要性能特点 从测量维数上来看，单维的加速度传感器技术比较成熟，绝大多数加速度传感器为一维型(单轴)，而微惯性系统以及其他～些应用场合常常需要双轴或者三轴的加速度传感器来检测加速度矢量，目前市场上有越来越多的产品应用了双轴以及三轴加速度传感器。如美国美新半导体有限公司(MEMSIC)开发出了用于车身控制的双轴加速度传感器，该产品的特点是没有机械可动部分，而且产品供货后的故障发生率一直控制在一位数多的ppm值。意法半导体公司推出了一款全新数字信号输出三轴加速传感器LIS331HH，其最大测量值达到24 g，相当于F1赛车在强劲刹车时产生加速度的5倍左右，可在消费电子和工业应用中实现高精确度的测量。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 压阻式 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活
压电式加速度传感器分解
华东交通大学理工学院论文题目： 压电式加速度传感器 课程：传感器原理及其应用 姓名；吕进 专业：通信工程 班级： 12 通信2班 学号：20120210420243
压电式加速度传感器 前言 目前，国内研制的高冲击压电加速度传感器的性能受材料、结构、工艺和安装等因素的影响，量程和上限频率难以得到提高，从而导致在高冲击下测量的线性度较差。现在国内研制的压电传感器样机可测量的最大冲击加速度为 1 OO,OOOg，安装谐振频率约为9.5kHz，线性度为10%，还不能完全满足工程使用的要求。因此，为了满足高速碰撞测试和常规触发引信用压电加速度传感器的要求，本文研究提高压电加速度传感器的量程和频响的设计技术，这项技术可应用在钻地武器试验和深层钻地弹引信中。 在核武器飞行试验中，均要进行触地测试，了解核弹头碰地的状况，测量其触地加速度，为其触发引信的设计和验证提供依据。在常规钻地弹、侵彻弹等武器研究中，均需要大量程高频响的加速度传感器进行测量。目前国内的传感器难以满足要求，现采用国外的传感器(如7270A)，但价格昂贵且对华禁运。 综上所述，本文研究提高压电传感器的量程和频响的设计技术，为改进压电加速度传感器的性能奠定基础，为高速触地用测试传感器和深侵彻引信传感器的研究提供技术参考。
目录 前言 (1) 摘要 (3) 关键词 (3) 国内外现状 (3) 压电式加速度传感器原理 (4) 灵敏度 (8) 误差形成因素分析 (9) 提高传感器频响的措施 (9) 实际应用 (11) 总结 (12) 参考文献 (12)
摘要 二十一世纪的高效发展中，信息时代已然来临，掌握信息的重要性日益重要，在人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。 关键词 传感器原理速度光电效应光电元件压电特性传感器分类传感器应用 国内外现状 自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来[[21，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。经过近半个世纪的发展，压电加速度传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。 经过调研，了解到国外几种高冲击压电加速度传感器的主要技术指标，如表1.1所示。 表1.1国外几种压电加速度传感器的主要技术指标