压电加速度计的原理_结构及其使用_董高庆
压电加速度原理
多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。
所谓的压电效应就是"对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应"。
一般加速度传感器就是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。
由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。
当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。
线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A=F/M 我们只需要测量F就可以了。
用电磁力去平衡这个力可以测得外力F。
就可以得到F对应于电流的关系。
只需要用实验去标定这个比例系数就行了。
当然，中间的信号传输、放大、滤波要通过相应的电路来实现了加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。
是在水平，走下坡，还是别的情况。
在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。
压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到得重要因素之一。
也就是传感器在正常工作的时候输入信号R于输出信号C的比值，有成线性的也有非线性的。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。
灵敏度自然是越高，但是实际上灵敏度越高测量范围就窄；相反，灵敏度低点就能获得比较宽的测量范围。
所以在产品选择传感器的时候就要从需要出发，一味地使用高精度传感器往往就意味着更高的成本抗疲劳性也是压电加速度传感器的重要因素。
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整理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：①参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；②参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；③参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；④参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度计，各测量一个加速度分量。
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。
加速度计构造原理、工作特点及应用的研究
加速度计构造原理、工作特点及应用的研究作者：张泽宇来源：《科技风》2018年第04期摘要：加速度计是测量运载体线加速度的仪表。
本文在拓展了对高中所学动力学知识的基础上，研究了加速度计的构造原理、工作特点以及应用状况，旨在解决利用打点计时器计算加速度过于繁琐的问题，力求能够直接测量加速度，并在实际生活中广泛应用。
关键词：加速度计；构造原理；工作特点；应用；研究在高中物理学习过程中，由于利用打点计时器计算加速度的方法过于繁琐，我希望寻找简洁的方法可以直接测量加速度。
我在查阅资料的基础上，通过拆开并观察多个废旧“加速度计”，研究了加速度计的构造原理、工作特点以及应用状况。
一、加速度计的原理加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
加速度计的结构模型如图所示：它采用物体弹簧阻尼器系统来感应加速度。
当加速度计连同物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起做加速运动时，物体就受到惯性力的作用向相反的方向运动。
物体发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，物体具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），物体的位移也发生相应的变化。
另一方面，当物体发生位移时，感应器之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了物体的位移。
既然物体的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测出加速度的数值。
二、加速度计的工作特点加速度计的种类较多，在学习过程中，我主要对以下几种加速度计进行了比较研究：（一）隧道电流式隧道电流式加速度计的工作原理是利用电子势垒隧道效应，把物体运动的加速度转换为物体的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化量，然后用检测电路测出电流变化量从而测得物体运动的加速度大小。
压电加速度计
微电子技术的发展，已提供了体积很小、能装 在压电式加速度传感器壳内的集成放大器，由它 来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器的 加速度传感器可使用长电缆而无衰减，并可直接 与大多数通用的输出仪器链接。
加速度传感器的安装方法
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
压电加速度传感器的前置放大器
质量块 压电 元件 输出 引线
支座
压电加速度传感器原理图
压电加速度传感器的灵敏度
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。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。 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。因此选用加速度计时应当权 衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。
加速度计的原理与使用方法
加速度计的原理与使用方法加速度计是一种测量物体加速度的仪器，它在许多领域如航空航天、汽车工程和运动医学等中被广泛应用。
本文将介绍加速度计的原理及使用方法。
一、加速度计的原理加速度计的原理基于牛顿第二定律，即物体的加速度与作用在其上的力成正比。
根据这一原理，加速度计通过测量物体上的力来确定其加速度。
1. 力感应式加速度计力感应式加速度计利用质量对物体的拉力或压力进行测量。
其中一种常见的类型是压电加速度计。
压电加速度计由压电晶体制成，当晶体受力时，会产生电荷。
通过测量晶体上的电荷变化，可以确定施加在物体上的力以及加速度。
2. 运动感应式加速度计运动感应式加速度计则是基于惯性原理。
它包含一个基准质量，通过测量质量相对于基准质量的位置变化来计算加速度。
当物体加速时，质量相对于基准质量会发生位移，该位移可以通过传感器测量出来。
二、加速度计的使用方法加速度计有许多不同的用途，下面简要介绍几种常见的使用方法。
1. 汽车工程在汽车工程中，加速度计被用于测量车辆的加速度、制动效果和行驶状态等。
通过安装加速度计，可以收集与车辆行驶相关的数据，如速度变化、转向行为和许多其他动态信息。
这些数据不仅可用于优化车辆性能，还可用于事故分析和安全评估。
2. 运动医学加速度计在运动医学中也有重要应用。
通过固定加速度计在运动员的身体上，可以测量运动员在训练或比赛中的加速度和冲击力。
这些数据可以帮助医生和教练评估运动员的身体状况和运动技术，并制定相应的康复计划或训练方案。
3. 航空航天在航空航天领域，加速度计是控制飞行器姿态和导航的重要工具。
通过测量加速度和方向，加速度计能够提供精确的导航和飞行控制信息。
它在航天器发射、姿态控制和着陆等过程中起到关键作用。
4. 虚拟现实和游戏控制加速度计也广泛应用于虚拟现实设备和游戏控制器中。
通过将加速度计集成到设备中，用户可以通过身体的动作来控制虚拟现实场景或游戏角色的移动。
这种交互方式使用户体验更加沉浸和自然。
压电式加速度计的工作原理
压电式加速度计的工作原理压电式加速度计是一种常见的加速度测量设备，它基于压电效应利用压电材料的特性来实现测量加速度的目的。
压电材料是一种具有压电效应的晶体材料，能够将机械应力转化为电荷或电势差。
下面将从基本原理、工作原理和应用领域三个方面详细介绍压电式加速度计的工作原理。
1.基本原理压电效应是指在一些晶体材料中，施加压力或机械挤压会导致晶体内部产生正负电荷分离的现象。
这种分离的电荷可以通过外部的电路连接来测量，由此可以得到施加在晶体上的压力或机械应力的大小。
压电效应主要存在于具有特定晶体结构的压电材料中，如压电陶瓷，其中最常见的是PZT（铅锆钛）材料。
压电材料的晶体结构使得在施加压力时，其中的正、负离子会发生形变并分离，形成电荷。
这种电荷的大小与施加的压力成正比，可以通过外部电路连接到测量设备中进行读取和分析。
2.工作原理当加速度计受到加速度作用时，质量会产生相应的惯性力，压电陶瓷片将因此受到应力，而产生压电效应。
在质量的一动，另一个静止的陶瓷片将会感受到压力的变化，并产生相应的电信号。
这个电信号可以被读取和分析，并转化为加速度的数值。
由于压电材料的压电效应是线性的，所以电信号的幅度与施加的加速度成正比。
3.应用领域-汽车工业：用于测量车辆在运动中的加速度、减速度和振动情况，以改善车辆的稳定性和舒适性。
-工程监测：用于测量建筑物、桥梁、隧道等工程结构在风、震动或其他外力作用下的振动情况，以评估结构的安全性。
-航空航天研究：用于测量飞行器在起飞、飞行和降落过程中的加速度、振动情况，为研究和改进飞行器设计提供参考数据。
-体育科学：用于测量运动员的加速度、速度和姿势，以帮助改进训练方法和运动技术。
-军事应用：用于军事装备的性能测试和武器系统的精确度评估，以及士兵在战斗中的生理状态监测。
总之，压电式加速度计通过利用压电材料的特性，将机械应力转化为电信号来测量加速度。
它在各个领域中都有广泛的应用，对于研究和改进工程结构、运动技术以及改善产品性能等方面都起到了重要的作用。
压电加速度计
壓電材料的極化
儘管壓電材料隨著不同的應力值變化，會有正、負 電荷密度的變化。但是如果沒在壓電材料上、下兩 端，鍍上電極，則絕對無法將電荷變化訊號，顯示 出來。所以在壓電材料上、下兩端，要有電荷的累 積，才能產生電壓輸出。利用此性質就可以作為加 速度感測器。 PS:壓電材料範例:石英、鋯酸鈦鉛陶瓷、鋯酸鈦鉛 膠合體、氧化鋅等等 …
2.尋跡控制系統 (TCS):由電腦控制引擎的動力輸 出，根據感應器傳來的各種資料，包括轉向角度、 內外輪速度差等…整合計算出引擎動力要 限制多少來達到防止失控的，由此了解 了一些壓電式加速度計的應用與優點，像是汽車的 許多安全系統像安全氣囊、TCS和ABS等等…都是 壓電式加速度計的範例。 加速度計除了壓電式的以外還有許多不同的類型， 所以使用的環境和成本是否合乎設計者的需求 ， 這就成為最重要的一點了。
壓電加速度計之應用
壓電式加速度計在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑 的振動和衝擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別 是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。 PS:宇航=航太 :指與研究和探索外太空有關的領 域，利用太空科技來以太空飛行器來進入外太空。
應用範例
1.防鎖死煞車系統(ABS):原理是經由電子迴路控制 煞車液壓系統，當鎖死將發生時，自動調整煞車 壓力，頻率高達每秒25次，並傳到感應器，所以 ABS作用時煞車踏板會有上下彈跳的感覺。
壓電式加速度計
指導老師 林儒禮 99715004 林俊廷 99715027 朱恩德 (上圖為美國MEAS所製作的壓電加速度計)
什麼是加速度計?
加速度計是一種量測加速度的裝置，大多數的加速 度計都以間接的方式工作。它們有一個已知的質 量，稱為震動質量，與待測物作彈性結合，當待測 物體帶震動質量作加速度運動時，加速度規可用以 測量出作用於震動質量的慣性力，所測得的力再利 用牛頓第二定律而得出加速度值。 PS:牛頓第二運動定律:物體受外力作用時，其每單 位時間內動量之變化量與所有作用力之和成正 比。
压电式加速度传感器
压电式加速度传感器）压电式加速度计的结构和安装（1它是利用某些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。
质量块加在压电元件上的力也物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，则力的变化与被测加随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，速度成正比。
故而且传感器本身有很大内阻，由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，通常把传感器信号先输到为此，输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。
检测电路方可用于一般的放大、高输入阻抗的前置放大器。
经过阻抗变换以后，目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与仪表或记录器。
将信号输给指示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。
常用的压电式加速度计的结S13.18所示。
构形式如图是基座，是质块，B是弹簧，MP是压电元件，R是夹持环。
图13.18a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c) 三角剪切型簧系统装在圆形中心支柱压电式加速度计13.18 图上，支柱与基座连接。
这种有变形则将B与测试对象连接时，如果基座B结构有高的共振频率。
然而基座并使预测试对象和环境温度变化将影响压电元件，直接影响拾振器输出。
此外，压电元件由夹持环为三角剪切形，13.18c紧力发生变化，易引起温度漂移。
图受切应力。
加速度计感受轴向振动时，将其夹牢在三角形中心柱上。
压电元件承有较高的共振频率和良好的这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速线性。
图13.18b 由于粘结剂会随温度环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。
度计，软，因此最高工作温度受到限制。
增高而变．加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的。
13.19）共振频率图（图的一般小阻尼(z<=0.1)加速度计，上限频率若压电式加速度计的幅频特性曲13.19 ，便可为共振频率的 1/3，则可保证幅值误差1/5（即12%）；若取为共振频率的保证幅值误差低于1dB0。