賀德克傳感器的分類(lèi)

賀德克根據(jù)傳感器敏感元件和轉(zhuǎn)換原件的不同，加速度傳感器可以分為電容式、壓電式、光纖式、壓阻式等類(lèi)型。
1.電容式加速度傳感器
HYDAC電容式加速度傳感器可以將振動(dòng)位移參量的變化轉(zhuǎn)變成為電容量的變化，其基本敏感機(jī)理比較簡(jiǎn)單。如圖所示，上下極板為固定電容極板具有公共電極，中間質(zhì)量塊為可動(dòng)電容極板。當(dāng)有外界振動(dòng)時(shí)可動(dòng)極板跟隨振動(dòng)，從而改變電容。上下電容同時(shí)改變，但是變化方向相反，稱(chēng)為差動(dòng)式。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍較大，zui大位移和zui小位移之比可大，如果采用差動(dòng)測(cè)量方法數(shù)值增大一倍，靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，影響穩(wěn)定性的因素少、無(wú)內(nèi)部和外部的各種摩擦和接觸應(yīng)力誤差，對(duì)溫度變化的固有敏感性低。
電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
采用HYDAC有關(guān)工藝制成的微加速度計(jì)，其敏感芯片的體積僅5mill見(jiàn)方，和成人的小指甲蓋大小差不多，比采用精密機(jī)械加工成的加速度計(jì)小12個(gè)數(shù)量級(jí)。由于其質(zhì)量小，因此能承受高沖擊，實(shí)驗(yàn)測(cè)試這種原理的微加速度計(jì)在不加電狀態(tài)下X、Y、Z三個(gè)方向至少可以承受數(shù)百乃至數(shù)千g以上的沖擊。
2.壓電加速度傳感器
壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，它是一種無(wú)源式傳感器，直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。壓電效應(yīng)分為正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。正向壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用時(shí)，相應(yīng)的在一定晶體表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力作用消失時(shí)，晶體表面的電荷也會(huì)隨著消失。當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。晶體受力產(chǎn)生的電荷量與外力大小成正比。
逆向壓電效應(yīng)是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場(chǎng)作用時(shí)，相應(yīng)的在一定晶軸方向產(chǎn)生機(jī)械形變或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后機(jī)械形變或機(jī)械應(yīng)力也消失。如圖所示的是利用壓電效應(yīng)的壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：
壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
中心壓縮型壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，相同質(zhì)量情況下能得到較高的固有頻率，成本較低，壓電元件一般由兩片組成。在剪切型壓電傳感器中，平面剪切型結(jié)構(gòu)能承受相對(duì)較高的沖擊加速度，中心柱、壓電元件和質(zhì)量塊均做成平板形，左右壓電元件通過(guò)橫向螺栓固緊在中心立柱上。與中心壓縮型相比，剪切型結(jié)構(gòu)對(duì)非振動(dòng)因素具有較好的隔離性，具有更好的靜態(tài)特性，更高的信噪比和寬的高低頻特性。在剪切型結(jié)構(gòu)中，壓電片受剪切力，高沖擊產(chǎn)生的剪切力較大，這就需要有較大的橫向預(yù)緊力，這對(duì)壓電片和預(yù)緊螺桿螺母的強(qiáng)度要求很高，其抗沖擊能力和頻響沒(méi)有中心壓縮型的好。
3.壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器主要由3個(gè)部分組成：1.帶質(zhì)量塊的懸臂梁彈性元件，可將所要測(cè)試的加速度轉(zhuǎn)換成機(jī)械變形量（如應(yīng)力、應(yīng)變）；2.力敏原件，常用的是硅微固態(tài)壓阻平膜芯片，通過(guò)玻璃粉燒結(jié)工藝封裝在彈性元件的zui大應(yīng)力集中處，當(dāng)有加速度作用時(shí)，彈性元件的zui大機(jī)械變形量就通過(guò)平膜芯片的壓阻效應(yīng)轉(zhuǎn)化為惠斯登電橋的電阻變化量，并在一定的電源激勵(lì)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量；3.具有過(guò)載保護(hù)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如下圖所示：
壓阻式加速度傳感器示意圖
實(shí)際常用的三軸加速度傳感器如下圖所示，4個(gè)相互垂直的單端固支硅懸臂梁支撐著中間的可動(dòng)質(zhì)量懸塊,用來(lái)檢測(cè)3個(gè)方向的加速度;底部的PYREX玻璃基底提供加速度傳感器的高過(guò)載限位保護(hù)。壓敏電阻分布在4個(gè)懸臂梁上,將各電阻連接可以分別構(gòu)成檢測(cè)3個(gè)垂直方向加速度的惠斯通電橋。當(dāng)傳感器受到外界加速度a時(shí),質(zhì)量塊m會(huì)把加速度轉(zhuǎn)化為慣性力F=ma,使懸臂梁發(fā)生形變,產(chǎn)生應(yīng)力變化,導(dǎo)致壓敏電阻的阻值發(fā)生變化,zui后由惠斯通電橋輸出相應(yīng)電壓的變化。
三軸加速度傳感器示意圖
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