利用品質塊的慣性力測量物體運動加速度的感測器,又稱加速度感測器。加速度是物體運動速度的變化率,不能直接測量。為瞭獲得較高的靈敏度,通常利用測量品質塊隨被測物體作加速運動時所表現出的慣性力來確定其加速度。根據牛頓第二定律,力=品質×加速度。在品質不變的情況下,測量慣性力就可以獲得加速度值。最簡單的加速度計由外殼、品質塊、力敏感元件和限制品質塊與外殼之間相對運動的彈簧構成。測量時,外殼與被測物體固定在一起運動,品質塊也在限動彈簧的作用下隨之運動。彈簧作用力的大大小即等於質量塊的慣性力,由力敏感元件測出。加速度計是測量振動量(見機械量測量儀表)的常用傳感器。加速度計的種類繁多,分類方法也有多種。按用途可大致分為振動加速度計(用於動態測量)和單方向加速度計(用於靜態測量)。按復雜程度可大致分為非伺服式和伺服式(見力平衡式傳感器)。常用的振動加速度計有應變式加速度計和壓電式加速度計等。用於單方向(靜態)加速度測量的有振弦式加速度計和擺式加速度計等。

  應變式加速度計 它利用應變片(見半導體應變計、電阻應變計)作為加速度計的力敏感元件。在這種傳感器中,質量塊支撐在彈性體上,彈性體上貼有應變片(圖1)。測量時,在質量塊的慣性力作用下,彈性體產生應變,應變片把應變變為電阻值的變化,最後通過測量電路輸出正比於加速度的電信號。彈性體做成空心圓柱形以增加傳感器的固有振動頻率和粘貼應變片的表面積。另一種結構形式為懸臂梁式,彈性振梁的一端固定於外殼,一端裝有質量塊。應變片貼在振梁固定端附近的上下表面上。振梁振動時,應變片感受應變。應變片可在測量電路中接成差動橋式電路。應變片加速度計也適用於單方向(靜態)測量。用於振動測量時,最高測量頻率取決於固有振動頻率和阻尼比,測量頻率可達3500赫。

  壓電式加速度計 它采用自然的、人造的或陶瓷的壓電材料制成力敏感元件(見壓電式傳感器)。簡單的壓電式加速度計是在壓電元件上以一定預壓力裝一質量塊而構成。壓電元件固定於外殼基座上,質量塊上用一個螺桿或彈簧片施加預壓力。測量時,質量塊的慣性力作用於壓電元件上,使之變形。在傳感器的固有頻率遠大於測量頻率時,變形與加速度成正比。根據壓電元件的特性,傳感器輸出與加速度成正比的電荷量。壓電式加速度計的結構形式繁多,可大致分為 4類及其改進型。①基座壓縮型及改進型式。它由基座、壓電元件、質量塊和預壓簧片組成(圖2)。它的特點是工作可靠、靈敏度和響應頻率高,但在溫度和聲音等外部幹擾下預壓力會改變而引起測量誤差,國外已於70年代中期淘汰瞭這種型式。其改進型式主要是從結構上改動,以隔離外殼和基座傳遞的幹擾,提高性能。例如:改用中心螺桿施加預壓力的單端壓縮型,能避免與外殼直接接觸;將質量塊和壓電元件倒掛於基座中的倒置中心壓縮型,能隔離來自安裝面的幹擾;在基座上開槽的隔離基座壓縮型,能增加抗基座應變和熱幹擾的能力;采用薄壁彈性套筒施加預壓力的隔離基座預載套筒壓縮型,能對外部幹擾起雙層屏蔽作用。②環形剪切型。它的壓電元件和質量塊均為空心圓柱形,質量塊粘套在壓電元件上,壓電元件粘套在基座的圓柱上。壓電元件系軸向極化,利用切變壓電效應進行測量,在壓電元件的內外圓柱面上取電荷(圖3)。它的性能優於其他結構,但過載能力稍差。另一種中空環形剪切型具有相似的結構,但引線能從側面任意方向引出,便於安裝,而且整個裝置能像墊圈一樣用標準螺栓通過中心孔安裝到被測物體上。這是應用較多的一種先進的設計。③懸臂梁彎曲型。它的彎曲形壓電元件被夾持在基座與導電柱之間,壓電元件同時作為慣性質量。當傳感器受到機械振動時,壓電元件(懸臂梁)在自身慣性力的作用下彎曲變形,同時輸出正比於振動加速度的電信號(圖4)。它的特點是體積小,重量輕,而且靈敏度極高。④剪切-壓縮復合型。它可同時測量三個方向的加速度,但不同於通常由三個質量塊和三組壓電元件組合成的結構,而僅由一個質量塊和三組壓電元件構成(圖5)。XYZ三組壓電元件分別敏感 XYZ三軸的加速度分量。X組和Y組壓電元件在測量時受到質量塊和基座形成的沿各自方向的剪切力,並分別輸出正比於各自方向的加速度分量的電荷。Z組壓電元件則與質量塊構成中心壓縮型壓電加速度計,用以測量Z軸的加速度分量。壓電式加速度計應用廣泛,在各種已使用傳感器的總數中占瞭一大半的比例。它在航空、航天、兵器、造船、紡織、農機、車輛、電氣等各種系統中用於振動和沖擊測試、信號分析、機械動態實驗、環境模擬實驗、振動校準、模態分析、故障診斷等。

  振弦式加速度計 它的質量塊由上下張緊的金屬絲振弦拉著。金屬絲由激勵器起振(圖6)。當加速度按圖示方向輸入時,上、下金屬絲張力變化引起振動頻率變化(見振弦式傳感器)。用拾振器分別測出上、下振弦的頻率,進行比較後即可求出加速度值。這種結構對橫向加速度不敏感,因為橫向加速度對兩根金屬絲產生的張力相等。

  擺式加速度計 它的質量塊為擺,力矩發生器則起限制彈簧的作用。沿敏感軸輸入加速度時(圖7),擺相對於框架偏移,此時信號發生器測出偏移信號,並經放大器放大後驅動力矩發生器以限制擺的偏移,力矩發生器的驅動電流即表示加速度的大小。為瞭消除敏感軸的摩擦,擺浸在對擺具有中性浮力的液體中,並采用磁懸掛來彌補擺的中性懸浮的不足。液體還起到阻尼作用。當有橫向加速度存在時,傳感器的輸出會產生誤差,而且靈敏度越高,誤差越大。解決這個問題需要引入反饋。

  

參考書目

 張是勉,楊樹智編著:《自動檢測》,科學出版社,北京,1987。