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1、會計學1高共振頻率的加速計高共振頻率的加速計加速度測量方法：加速度測量方法：（1）加速度傳感器加速度傳感器（2）速度或位移傳感器）速度或位移傳感器+微分電路微分電路分類（按原理）：分類（按原理）：第1頁/共31頁加速度測量原理加速度測量原理質(zhì)量塊相對基座的位移與加速度成正比，通過測量該質(zhì)量塊相對基座的位移與加速度成正比，通過測量該位移（靈敏度低）或慣性力（靈敏度高）來測量加速度位移（靈敏度低）或慣性力（靈敏度高）來測量加速度（以慣性式為例）（以慣性式為例）第2頁/共31頁加速度測量原理加速度測量原理（以慣性式為例）（以慣性式為例）力學模型如圖所示。圖中力學模型如圖所示。圖中 y1y1表示殼體絕

2、對位移；表示殼體絕對位移；y0質(zhì)量塊的絕對位移；質(zhì)量塊的絕對位移；y01表示表示殼體與殼體與 質(zhì)塊的相對位移。質(zhì)塊的相對位移。測試時，殼體和被測物體聯(lián)接（用膠接或機械方法），當傳感器外殼跟隨振動物體振動時，其內(nèi)部質(zhì)量塊與外殼之間產(chǎn)生相對運動。適當選取傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所測結(jié)果將分別反映振動問題的位移、速度和加速度測試時，殼體和被測物體聯(lián)接（用膠接或機械方法），當傳感器外殼跟隨振動物體振動時，其內(nèi)部質(zhì)量塊與外殼之間產(chǎn)生相對運動。適當選取傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所測結(jié)果將分別反映振動問題的位移、速度和加速度第3頁/共31頁0110101()0m yycyky20100100112yyyy 20km02c

3、m強迫振動解強迫振動解為為01sin()myyt其中其中20122200()1()(2)mmyy 0202arctg1()則則20222100()1()(2)mmyy 第4頁/共31頁1mmyy11mmyy表明質(zhì)塊和殼體的相對運動（輸表明質(zhì)塊和殼體的相對運動（輸 出）和基礎的出）和基礎的振動（輸入）近乎相等，即表明質(zhì)塊在慣性座振動（輸入）近乎相等，即表明質(zhì)塊在慣性座標中幾乎處于靜止狀態(tài)標中幾乎處于靜止狀態(tài) 作為加速度計作為加速度計的條件的條件210()mmyy1201mmyy作為位移計的條件作為位移計的條件20222100()1()(2)mmyy 1 1 當當 時時 ，即被測頻率遠高于傳感器固

4、有頻率時，即被測頻率遠高于傳感器固有頻率時 2 2 當當 時時 ，即被測頻率遠低于傳感器固有頻率時，即被測頻率遠低于傳感器固有頻率時 第5頁/共31頁加速度傳感器的工作區(qū)域為加速度傳感器的工作區(qū)域為速度傳感器的工作區(qū)域為速度傳感器的工作區(qū)域為 =0要使加速度傳感器的固有頻率要使加速度傳感器的固有頻率 0 0，盡可能大，可以擴大測量，盡可能大，可以擴大測量范圍范圍20km減小減小mm即可實現(xiàn)即可實現(xiàn)第6頁/共31頁第7頁/共31頁原理圖原理圖壓電晶片壓電晶片引出電極引出電極質(zhì)量塊質(zhì)量塊殼體殼體當傳感器與被測振動加速度的當傳感器與被測振動加速度的機件緊固在一起后，傳感器受機件緊固在一起后，傳感器受

5、機械運動的振動加速度作用，機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的壓力，其方向與振動加速度的壓力，其方向與振動加速度方向相反，大小由方向相反，大小由F=maF=ma決定。決定。慣性引起的壓力作用在壓電晶慣性引起的壓力作用在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極引出，由此將振動加速度轉(zhuǎn)極引出，由此將振動加速度轉(zhuǎn)換成電量。換成電量。彈簧是給壓電晶片提供預緊力的，預緊力不夠，加速度又比較大時，質(zhì)量塊將與壓電晶片產(chǎn)生敲擊碰撞；預緊力也不能太大，否則會引起壓電晶片的非線性誤差1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理第8頁/共31頁

6、1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理（1 1）壓縮型）壓縮型在圖中，在圖中，S S是彈簧，是彈簧，MM是質(zhì)塊，是質(zhì)塊，B B是基座，是基座，P P是壓電元件。是壓電元件。圖圖a a是中央安裝壓縮型是中央安裝壓縮型，壓電元件，壓電元件質(zhì)量塊質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B B與測試對象連接時，如果基座與測試對象連接時，如果基座B B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發(fā)生變化，有變形則將直接影響拾振器輸出。

7、此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。易引起溫度漂移。第9頁/共31頁1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理（1 1）壓縮型）壓縮型第10頁/共31頁1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理（1 1）壓縮型）壓縮型 汽車發(fā)動機是利用火花塞跳火將混合氣點燃汽車發(fā)動機是利用火花塞跳火將混合氣點燃,使火焰在混合氣內(nèi)不斷傳播進行燃燒。如果恰當?shù)貙Ⅻc火時間提前一些，可使氣缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使轉(zhuǎn)矩增大，排污減少，但如果點火時間過早或油品質(zhì)不好使火焰在混合氣內(nèi)不斷傳播進行燃燒。如果恰當?shù)貙Ⅻc火時間提前一些，可使氣缸中汽油

8、與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使轉(zhuǎn)矩增大，排污減少，但如果點火時間過早或油品質(zhì)不好,火焰在傳播途中當壓力異常升高時火焰在傳播途中當壓力異常升高時,一些部位的混合氣不等火焰?zhèn)鞯揭恍┎课坏幕旌蠚獠坏然鹧鎮(zhèn)鞯?就自己著火燃燒就自己著火燃燒,造成瞬時爆發(fā)燃燒造成瞬時爆發(fā)燃燒,由此引起的氣體沖擊波沖擊汽缸壁產(chǎn)生金屬敲擊聲種，這現(xiàn)象稱為爆震。由此引起的氣體沖擊波沖擊汽缸壁產(chǎn)生金屬敲擊聲種，這現(xiàn)象稱為爆震。爆震引起的主要危害有爆震引起的主要危害有:一是噪音一是噪音,二是振動。振動很可能使發(fā)動損壞，特別是大負荷條件下這種可能性更大。二是振動。振動很可能使發(fā)動損壞，特別是大負荷條件下這種可能性更大。第11頁/共

9、31頁1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理（1 1）壓縮型）壓縮型將振動傳感器旋在氣缸的側(cè)壁上。當發(fā)生爆震時，傳感器產(chǎn)將振動傳感器旋在氣缸的側(cè)壁上。當發(fā)生爆震時，傳感器產(chǎn)生共振，輸出尖脈沖給汽車發(fā)動機電控單元生共振，輸出尖脈沖給汽車發(fā)動機電控單元,進而推遲點火時刻，盡量使點火時刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震。進而推遲點火時刻，盡量使點火時刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震。第12頁/共31頁1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理（2 2）剪切型）剪切型右圖為環(huán)形剪切型右圖為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。，結(jié)

10、構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。第13頁/共31頁1.1.壓電式加速度傳感器原理壓電式加速度傳感器原理（2 2）剪切型）剪切型右圖為三角剪切形右圖為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承 受切應力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。受切應力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。第14頁/共31頁具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用

11、、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是最為廣泛使用的振動測量傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是最為廣泛使用的振動測量傳感器 2.2.壓電式加速度傳感器的特點壓電式加速度傳感器的特點壓電式加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構(gòu)壓電式加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構(gòu)的影響就小。的影響就小。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量又非常微弱，因壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量又非常微弱，因此在使用時，必須接高輸入阻抗的前置放大器此在使用時，必須接高輸入阻

12、抗的前置放大器第15頁/共31頁2.2.壓電式加速度傳感器的特點壓電式加速度傳感器的特點前置放大器前置放大器壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。所用電壓放大器電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容

13、的影響。在電荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴.第16頁/共31頁A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF2.2.壓電式加速度傳感器的特點壓電式加速度傳感器的特點電荷放大器電荷放大器當當A A0 0足夠大時，輸出電壓與足夠大時，輸出電壓與A A0 0無關，只取決于輸入電荷無關，只取決于輸入電荷q q和反饋電容和反饋電容C CF F，改變，改變C CF F的大小便可得到所需的電壓輸出。的大小便可得到所需的電壓輸出。C CF F一般取值一般取值100-10100-104 4pFpF。SCFqUC 第17頁/共31頁3.3.壓電式加速度傳感器

14、的靈敏度壓電式加速度傳感器的靈敏度壓電加速度傳感器屬發(fā)典型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方式。壓電加速度傳感器屬發(fā)典型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方式。電壓靈敏度電壓靈敏度加速度傳感器輸出電荷與所承受的加速度之比加速度傳感器輸出電荷與所承受的加速度之比電荷靈敏度電荷靈敏度加速度傳感器輸出電壓與所承受的加速度之比加速度傳感器輸出電壓與所承受的加速度之比單位單位加速度單位用加速度單位用m/sm/s2 2，但振動測量中都習慣用，但振動測量中都習慣用g g作為作為加速度單位加速度單位第18頁/共31頁3.3.壓電

15、式加速度傳感器的靈敏度壓電式加速度傳感器的靈敏度 對給定的壓電材料，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電片的增多而增大。一般加速度傳感器尺寸越大，其固有頻率越低。對給定的壓電材料，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電片的增多而增大。一般加速度傳感器尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度傳感器時應當權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量影響和頻率響應之間的利弊。因此選用加速度傳感器時應當權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量影響和頻率響應之間的利弊。第19頁/共31頁3.3.壓電式加速度傳感器的靈敏度壓電式加速度傳感器的靈敏度 靈敏度并不是越高越好。靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范圍很寬的振動測量，例如打樁機的沖擊振動、汽車的撞擊實

16、驗、炸彈的貫穿延時引爆等。而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。例如用于尋找地下管道的泄露點（水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動）；或測量橋梁、樓房、樁基的受激振動以及分析精密機床床身的振動以提高加工精度。靈敏度并不是越高越好。靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范圍很寬的振動測量，例如打樁機的沖擊振動、汽車的撞擊實驗、炸彈的貫穿延時引爆等。而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。例如用于尋找地下管道的泄露點（水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動）；或測量橋梁、樓房、樁基的受激振動以及分析精密機床床身的振動以提高加工精度。第20頁/共31頁3.3.壓電式加速度傳感器的靈敏度壓電式加速度傳感器的靈

17、敏度橫向靈敏度橫向靈敏度壓電晶體加速度傳感器的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于壓電晶體加速度傳感器的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度軸線）振動的敏感程度。加速度軸線）振動的敏感程度。表示方法表示方法橫向靈敏度以主靈敏度的百分比表示。橫向靈敏度以主靈敏度的百分比表示。機械加工及封裝誤差；機械加工及封裝誤差；壓電元件本身的橫向壓電效應；壓電元件本身的橫向壓電效應；結(jié)構(gòu)設計不合理；結(jié)構(gòu)設計不合理；裝配不當產(chǎn)生的附加應力。裝配不當產(chǎn)生的附加應力。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因第21頁/共31頁4.4.壓電式加速度傳感器的安裝與使用壓電式加速度傳感器的安裝與使用 理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具

18、體使用中，有如下幾種方法。理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。abcdefg1 1）用于長期檢測振動）用于長期檢測振動機械的壓電加速度傳感機械的壓電加速度傳感器應采用雙頭螺栓牢固器應采用雙頭螺栓牢固地固定在監(jiān)視點上。地固定在監(jiān)視點上。第22頁/共31頁4.4.壓電式加速度傳感器的安裝與使用壓電式加速度傳感器的安裝與使用 理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。abcdefg圖圖a a采用鋼螺栓固定，是采用鋼螺栓固定，是共振頻率能達到出廠共

19、振共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以得全部擰入基座螺孔，以免引起基座免引起基座 變形，影響變形，影響加速度計的輸出。在安裝加速度計的輸出。在安裝面上涂一層硅脂可增加不面上涂一層硅脂可增加不平整安裝表面的連接可靠平整安裝表面的連接可靠性。性。需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來固定加速度計需要絕緣時可用絕緣螺栓和云母墊片來固定加速度計（圖（圖b b）但墊圈應盡量簿但墊圈應盡量簿也可以用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上也可以用一層簿蠟把加速度計粘在試件平整表面上（圖（圖c c）第23頁/共31頁4.4.壓電式加速度傳感器的安裝與使用壓電式加速

20、度傳感器的安裝與使用 理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。abcdefg2 2）短時間檢測低頻微弱）短時間檢測低頻微弱振動時，可用磁鐵將鋼制振動時，可用磁鐵將鋼制傳感器底座吸附在檢測點傳感器底座吸附在檢測點上。上。如圖如圖e e所示所示第24頁/共31頁4.4.壓電式加速度傳感器的安裝與使用壓電式加速度傳感器的安裝與使用 理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。

21、abcdefg3 3）測量更微弱的振動時）測量更微弱的振動時，可以用環(huán)氧樹脂或瞬干，可以用環(huán)氧樹脂或瞬干膠將傳感器牢牢地膠于檢膠將傳感器牢牢地膠于檢測點上。測點上。如圖如圖f f、g g第25頁/共31頁4.4.壓電式加速度傳感器的安裝與使用壓電式加速度傳感器的安裝與使用 理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。理論上壓電加速度傳感器應與被測振動體剛性連接。但在具體使用中，有如下幾種方法。abcdefg4 4）在對許多測試點進行）在對許多測試點進行定期巡檢時，也可采用手定期巡檢時，也可采用手持探針式加速度傳感器。持探針式加速度傳感器。使用時，用手握住探針，

22、使用時，用手握住探針，緊緊地抵觸在檢測點上。緊緊地抵觸在檢測點上。如圖如圖d d。此方法方便，但測量誤此方法方便，但測量誤差較大，重復性差，頻率差較大，重復性差，頻率上限將降低到上限將降低到1000Hz1000Hz以以下。下。如圖如圖f f、g g第26頁/共31頁4.4.加速度與力復合型傳感器加速度與力復合型傳感器在對機械結(jié)構(gòu)進行激振試驗時，為了測量機械結(jié)構(gòu)每一部位的阻抗值在對機械結(jié)構(gòu)進行激振試驗時，為了測量機械結(jié)構(gòu)每一部位的阻抗值(力和響應參數(shù)的比值力和響應參數(shù)的比值)，需要在結(jié)構(gòu)的同一點上激振并測定它的響應。阻抗頭就是專門用來傳遞激振力和測定激振點的受力及加速度響應的特殊傳感器。，需要在

23、結(jié)構(gòu)的同一點上激振并測定它的響應。阻抗頭就是專門用來傳遞激振力和測定激振點的受力及加速度響應的特殊傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器為一體它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器為一體第27頁/共31頁4.4.加速度與力復合型傳感器加速度與力復合型傳感器 阻抗頭的安裝面與被測機械緊固在一起，阻抗頭的安裝面與被測機械緊固在一起，激振器激振器的激振力輸出頂桿與阻抗頭的激振平臺緊固在一起。激振器通過阻抗頭將激振力傳遞并作用于被測結(jié)構(gòu)上，激振力使阻抗頭中檢測激振力的壓電晶片受壓力作用產(chǎn)生電荷并從激振力信號輸出口輸出。機械受激振力作用后產(chǎn)生受迫振動，其振動加速度通過阻抗頭中的慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性

24、力，使檢測加速度的晶片受力作用產(chǎn)生電荷，從加速度信號輸出端口輸出。的激振力輸出頂桿與阻抗頭的激振平臺緊固在一起。激振器通過阻抗頭將激振力傳遞并作用于被測結(jié)構(gòu)上，激振力使阻抗頭中檢測激振力的壓電晶片受壓力作用產(chǎn)生電荷并從激振力信號輸出口輸出。機械受激振力作用后產(chǎn)生受迫振動，其振動加速度通過阻抗頭中的慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使檢測加速度的晶片受力作用產(chǎn)生電荷，從加速度信號輸出端口輸出。第28頁/共31頁應變式加速度傳感器首先要經(jīng)過質(zhì)量應變式加速度傳感器首先要經(jīng)過質(zhì)量-彈簧慣性系統(tǒng)將加速度彈簧慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力，再將力作用于彈性元件，從而將力轉(zhuǎn)換為應變，通轉(zhuǎn)換為力，再將力作用于彈性元件，從而將力

25、轉(zhuǎn)換為應變，通過測量應變可以測量加速度過測量應變可以測量加速度第29頁/共31頁1.1.應變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理應變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理課本圖課本圖4-254-25硅懸臂梁式加速度傳感器硅懸臂梁式加速度傳感器這是一種使彈性元件和應變敏感這是一種使彈性元件和應變敏感元件合為一體的結(jié)構(gòu)，即采用單元件合為一體的結(jié)構(gòu)，即采用單晶硅做成懸臂梁式彈性元件，并晶硅做成懸臂梁式彈性元件，并且采用平面擴散工藝技術(shù)，在它且采用平面擴散工藝技術(shù)，在它上面形成四個性能一致的電阻，上面形成四個性能一致的電阻，構(gòu)成全橋；在梁的自由端連接上構(gòu)成全橋；在梁的自由端連接上敏感質(zhì)量塊組成懸臂梁式應變加速度傳感器敏感質(zhì)量塊組成懸臂梁式應變加速度傳感器第30頁/共31頁