r n
3、输入与输出关系式
q 2d33kxr
xe
1
e q 2d33mx
压电式加速度传感器
4、特性参数
① 灵敏度 电荷灵敏度 电压灵敏度
q Sq 2d33m xe e 4d33mt Se xe D 2
（开路电压） （极间电容）
( pc / ms 2 pc / g ) (v / ms 2
v / g)
其中
e
cE
et q 4d33mx cE D2 D 2
2t
② 动态范围 最小可测振级主要受测量仪器的噪声电平限制 最大可测振级主要受传感器的强度及非线性因素限制
压电式加速度传感器
③ 频特性
S
f下
f上
fn
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。一般阻尼 比小于0.1的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证 幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值 误差小于0.5dB（即6%），相移小于3度。但共振频率与加速度计的 安装有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情 况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共 振频率和使用上限频率都会有所下降。
压电式加速度传感器
石英晶体的压电效应
电轴：x 轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的 轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。 机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场 作用下，y轴具有最明显的机械变形。
石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。
压电式加速度传感器
压电效应模型
■ ■ ■
n 个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体 电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n， 输出电压为单片晶体电压的n倍。
串接时，输出电压大、电容小、时间常数 小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场 合。
F
F
a)串联
压电式加速度传感器
压电元件的并接
n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶 体电荷n 倍，总电容为单片晶体电容n
1—弹簧 2—壳体 3—阻尼 环 4—磁钢 5—线圈 6— 芯轴
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

力学模型与运动方程
机械接收部分
r cx r kxr mx e Bli mx
机电变换部分
Lt di r ( R0 Rt )i Blx dt
当
r cx r kxr mx e mx
压电式加速度传感器

压电式加速度计的敏感元件
天然石英晶体
机械强度高，绝缘性能 好，压电常数在500度 以下不随温度变化，但 压电常数低。
压 电 晶 体
人工极化陶瓷
压电常数大，比石英晶体大几 十倍，但压电常数稳定性差， 受温度影响大，当超过居里温 度时，压电效应就会消失。
正压电效应
压电元件在一定方向的外力作用下 或施加机械变形时，在压电元件的 晶面或极化面上将产生电荷。
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
1
0
惯性式传感器
阻尼对惯性传感器相频特性的影响

3.5
0.1
3
0.2
2.5 2
1.50
1.0 2.0 0.7 0.5
1 0.5 0 0 1 2 3 4 5
电磁感应式速度传感器

分类
电动式速 度传感器
e Bl
运动导体切割磁力线产 生感应电动式
2 2 2
arctg
k m
2 0
2 0 1 ( 0 )2
则
ym 2 2 2 y1m [1 ( 0 ) ] (2 0 )

c 2m0
惯性式传感器

ym 对 y1m 的讨论
当
ym ( 0 )2 2 2 y1m [1 ( 0 )2 ] (2 0 )
磁电式速 度传感器
d e n dx
导体不动，穿过导体的 磁力线数发生变化，导 体两端产生感应电动式
电动式速度传感器--相对式速度传感器
用来测量振动系统中两部件之间的相对振动速度，壳体固定于一部 件上，而顶杆与另一部件相连接。从而使传感器内部的 线圈与磁钢 产生相对运动，产生相应的电动势来。
1
时 ，即被测频率远高于传感器固有频率时 表明质块和壳体的相对运动（输 出）和基础的 振动（输入）近乎相等，即表明质块在惯性座标 中几乎处于静止状态 作为位移计的条件（应用于动圈式速度传感器的设计）
ym 1 y1m
2
当
时 ，即被测频率远低于传感器固有频率时
ym 2 ( ) y1m 0
ym
结构 变换过程
e
N
振 动 物 体
物体与 传感器 的相对 运动
空气 间隙 变化
穿过线 圈的磁 通量变 化
产生 感应 电动 式
S
输入与输 出关系式
d d e n n x dt dx
磁电式速度传感器
磁电式速度传感器的特点
1、非接触型，对被测体无附加质量和刚度； 2、灵敏度不等于常数，与间隙、振动物体的 大小、材料形状等有关，受测量物体表面 电涡流影响； 3、动态幅值不是线性，只有当被测物体位移
振动理论
第二部分 振动测量传感器
振动传感器的分类

按物理过程
发电式
电动式 磁电式 压电式 电阻式 电感式 电容式 压阻式 电磁感应原理
电参数
振动传感器的分类

按力学过程
惯性式 接触式 非接触式 （质量-弹簧）无参照系 （跟随）有参照系 （电涡流、激光、光电）
振动传感器的分类

按被测参数
位移传感器 速度传感器 加速度传感器 力传感器 应变传感器 扭振传感器 扭矩传感器
压电元件的开路电压： U a q / Ca
压电式加速度传感器
压电式传感器及其等效电路
若考虑负载（测量电路），等效电路如下：
假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：
其中，Cc、Ci分别为电缆寄生电容及后续测量电路的输入电容。
压电式加速度传感器
压电元件的串接
压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。为了增大输出 值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体 串接或并接：
惯性式传感器

工作原理
力学模型如图所示。图中y1、y0、 y01分别表示壳体绝对位移、质块的 绝对位移和壳体与 质块的相对位移。 测试时，壳体和被测物体联接（用 胶接或机械方法），当传感器外壳 跟随振动物体振动时，其内部质量 与外壳之间产生相对运动。适当选 取传感器的结构参数，所测结果将 分别反映振动问题的位移、速度和 加速度
电动式速度传感器--相对式速度传感器

使用应注意的问题
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

结构：
a 单磁隙结构
b双磁隙结构
c动磁钢结构
电动式速度传感器—惯性式速度传感器

支撑弹簧
弹簧片除了提供弹性恢复力外，还对可动部件起导向作用。良好的 弹簧片其刚度非线性应很小，弹簧片本身作为弹性体振动的频率要 足够高，并且还应具有较强的抗侧向失稳能力。
压 电 效 应
逆压电效应
在压电元件表面通一电压，由 于电场的作用，压电元件将产 生几何变形。
压电式加速度传感器
石英晶体的压电效应
理想形状：中间为六棱柱，两端为对 称的棱锥，共30个晶面。 光轴 电轴 机械轴
光轴：z 轴，与晶体纵轴方向一致。 光线沿z 轴方向通过晶体不发生双折 射。沿光轴的作用力不产生压电效应， 故又称为中性轴。
电动式速度传感器- -惯性式速度传感器

双磁隙结构与工作原理
在测振时，传感器固定于被测系统，磁钢4与壳体2一起随被测系统 的振动而振动，惯性质量由装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成，并 在磁场中运动。弹簧片1径向刚度很大、轴向刚度很小，使惯性系统 既得到可靠的径向支承，又保证有很低的轴向固有频率。阻尼环一 方面可增加惯性系统质量，降低固有频率，另一方面在磁场中运动 产生的阻尼力使振动系统具有合理的阻尼.
电动式速度传感器
惯性式速度传感器的特点
1、测量的是绝对速度振动量；
2、频率下限受固有频率限制，不能到零。频率 上限受安装共振频率及线圈阻抗特性限制； 3、全部质量都附加给被测物体； 4、灵敏度高、信噪比强； 5、输出阻抗小，且输出直接是电压量，可直接 测量； 6、横向灵敏度较小，频率范围较宽
磁电式速度传感器
④ 横向灵敏度 ⑤ 环境特性
小于5% 温度，湿度，磁场等
当S 时, m , f n , D 当S 时, m , f n , D
固有频率、灵敏度和动态范围相互制约
压电式加速度传感器
5、 加速度计的固定方法
其中图a采用钢螺栓固定， 是共振频率能达到出厂共振 频率的最好方法。螺栓不得 全部拧入基座螺孔，以免引 起基座 变形，影响加速度 计的输出。在安装面上涂一 层硅脂可增加不平整安装表 面的连接可靠性。 需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图b），但垫圈应尽 量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图c），也可用于温度 低于40℃以下的场合。手持探针测振方法（图d）在多点测试时使用特别方 便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专 用永久磁铁固定加速度计（图e），使用方便，多在低频测量中使用。此法 也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图f）或粘接剂（图g）的固 定方法也长使用。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。