加速度振动传感器是一种测量结构振动或运动加速度的装置。振动或运动(加速度)变化引起的力使质量“挤压”压电材料,产生与施加在压电材料上的力成比例的电荷。因为电荷与力成正比,质量是一个常数,所以电荷也与加速度成正比。
压电加速度振动传感器依靠石英或陶瓷晶体的压电效应来产生与外加加速度成比例的电输出。压电效应在晶体上产生一个相反的带电粒子积累。这种电荷与施加的力或应力成正比。施加在石英晶体晶格结构上的力会改变正负离子的排列,从而导致这些带电离子在相对表面上积聚。这些带电荷的离子聚集在***终受晶体管微电子技术制约的电极上。
在加速度计中,晶体上的应力是地震质量对晶体施加力的结果。在规定的频率范围内,这种结构近似地服从牛顿运动定律,f=ma。因此,累积电荷总量与作用力成正比,作用力与加速度成正比。电极收集电荷并通过电线将其传输到信号调节器,该调节器可以是远程的,也可以内置在加速度振动传感器中。
剪切式加速度振动传感器
剪切模式设计了中心柱和地震质量之间的传感晶体的结合或“夹层”。压缩环或螺柱施加产生刚性线性结构所需的预载力。在加速度作用下,质量使剪切应力施加到感测晶体上。通过将传感晶体与底座和外壳隔离,剪切加速度计在抑制热瞬态和底座弯曲效应方面表现出色。此外,剪切几何结构本身具有较小的尺寸,从而将对测试结构的质量荷载效应降至***低。
弯曲模态加速度振动传感器
弯曲模式设计使用梁形传感晶体,当加速时,它被支持在晶体上产生应变。晶体可以被结合到载体梁上,当加速时,载体梁会增加应变量。该设计外形小巧,重量轻,热稳定性好,价格经济。对横向运动不敏感也是这种设计的固有特征。通常,受弯梁设计非常适合于低频、低G级应用,如结构测试中可能遇到的应用。
压缩式加速度振动传感器
压缩式加速度振动传感器结构简单,刚性高,具有历史可用性。基本上有三种类型的压缩设计:直立、倒置和隔离。
垂直压缩设计将压电晶体夹在地震块和刚性安装底座之间。弹性螺柱或螺钉将传感元件固定到安装底座上。当传感器加速时,地震质量会增加或减少作用在晶体上的力,并产生成比例的电输出。地震质量越大,应力越大,因此输出值也越大。
反向压缩设计将传感晶体与安装基座隔离,减少基座弯曲效应,并将热不稳定测试结构的影响降至***低。许多参考标准校准加速度计采用这种设计。
孤立压缩设计减少了由于基本应变和热瞬变引起的错误输出。这些好处是通过机械地将传感晶体与安装基座隔离,并利用空心地震块作为隔热屏障来实现的。这些机械增强允许在低频下稳定性能,在低频下,热瞬态效应可以与其他压缩设计一起产生信号“漂移”。
压电材料
有两种压电材料用于印刷电路板加速度计:石英和多晶陶瓷。石英是天然晶体,陶瓷是人造的。每种材料都具有一定的优势,材料的选择取决于加速度计所需的特定性能特征。石英因其执行精确测量任务的能力而广为人知,并在时间和频率测量的日常应用中发挥了重要作用。