什么是加速度计?

[拼音]：jiasuduji

[外文]：accelerometer

利用质量块的惯性力测量物体运动加速度的传感器，又称加速度传感器。加速度是物体运动速度的变化率，不能直接测量。为了获得较高的灵敏度，通常利用测量质量块随被测物体作加速运动时所表现出的惯性力来确定其加速度。根据牛顿第二定律，力＝质量×加速度。在质量不变的情况下，测量惯性力就可以获得加速度值。最简单的加速度计由外壳、质量块、力敏感元件和限制质量块与外壳之间相对运动的d簧构成。测量时，外壳与被测物体固定在一起运动，质量块也在限动d簧的作用下随之运动。d簧作用力的大小即等于质量块的惯性力,由力敏感元件测出。加速度计是测量振动量(见机械量测量仪表)的常用传感器。加速度计的种类繁多,分类方法也有多种。按用途可大致分为振动加速度计（用于动态测量）和单方向加速度计（用于静态测量）。按复杂程度可大致分为非伺服式和伺服式（见力平衡式传感器）。常用的振动加速度计有应变式加速度计和压电式加速度计等。用于单方向（静态）加速度测量的有振弦式加速度计和摆式加速度计等。

它利用应变片（见半导体应变计、电阻应变计）作为加速度计的力敏感元件。在这种传感器中,质量块支撑在d性体上,d性体上贴有应变片（图1）。测量时,在质量块的惯性力作用下,d性体产生应变,应变片把应变变为电阻值的变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。d性体做成空心圆柱形以增加传感器的固有振动频率和粘贴应变片的表面积。另一种结构形式为悬臂梁式，d性振梁的一端固定于外壳，一端装有质量块。应变片贴在振梁固定端附近的上下表面上。振梁振动时，应变片感受应变。应变片可在测量电路中接成差动桥式电路。应变片加速度计也适用于单方向（静态）测量。用于振动测量时,最高测量频率取决于固有振动频率和阻尼比,测量频率可达3500赫。

它采用自然的、人造的或陶瓷的压电材料制成力敏感元件（见压电式传感器）。简单的压电式加速度计是在压电元件上以一定预压力装一质量块而构成。压电元件固定于外壳基座上，质量块上用一个螺杆或d簧片施加预压力。测量时，质量块的惯性力作用于压电元件上，使之变形。在传感器的固有频率远大于测量频率时，变形与加速度成正比。根据压电元件的特性，传感器输出与加速度成正比的电荷量。压电式加速度计的结构形式繁多，可大致分为 4类及其改进型。

（1）基座压缩型及改进型式。它由基座、压电元件、质量块和预压簧片组成(图2)。它的特点是工作可靠、灵敏度和响应频率高，但在温度和声音等外部干扰下预压力会改变而引起测量误差，国外已于70年代中期淘汰了这种型式。其改进型式主要是从结构上改动，以隔离外壳和基座传递的干扰，提高性能。例如：改用中心螺杆施加预压力的单端压缩型，能避免与外壳直接接触；将质量块和压电元件倒挂于基座中的倒置中心压缩型,能隔离来自安装面的干扰;在基座上开槽的隔离基座压缩型，能增加抗基座应变和热干扰的能力；采用薄壁d性套筒施加预压力的隔离基座预载套筒压缩型，能对外部干扰起双层屏蔽作用。

（2）环形剪切型。它的压电元件和质量块均为空心圆柱形，质量块粘套在压电元件上，压电元件粘套在基座的圆柱上。压电元件系轴向极化，利用切变压电效应进行测量，在压电元件的内外圆柱面上取电荷（图3）。它的性能优于其他结构，但过载能力稍差。另一种中空环形剪切型具有相似的结构，但引线能从侧面任意方向引出，便于安装，而且整个装置能像垫圈一样用标准螺栓通过中心孔安装到被测物体上。这是应用较多的一种先进的设计。

（3）悬臂梁弯曲型。它的弯曲形压电元件被夹持在基座与导电柱之间，压电元件同时作为惯性质量。当传感器受到机械振动时，压电元件（悬臂梁）在自身惯性力的作用下弯曲变形，同时输出正比于振动加速度的电信号（图4）。它的特点是体积小，重量轻，而且灵敏度极高。

（4）剪切－压缩复合型。它可同时测量三个方向的加速度，但不同于通常由三个质量块和三组压电元件组合成的结构,而仅由一个质量块和三组压电元件构成(图5)。X、Y、Z三组压电元件分别敏感 X、Y、Z三轴的加速度分量。X组和Y组压电元件在测量时受到质量块和基座形成的沿各自方向的剪切力，并分别输出正比于各自方向的加速度分量的电荷。Z组压电元件则与质量块构成中心压缩型压电加速度计，用以测量Z轴的加速度分量。压电式加速度计应用广泛,在各种已使用传感器的总数中占了一大半的比例。它在航空、航天、兵器、造船、纺织、农机、车辆、电气等各种系统中用于振动和冲击测试、信号分析、机械动态实验、环境模拟实验、振动校准、模态分析、故障诊断等。

它的质量块由上下张紧的金属丝振弦拉着。金属丝由激励器起振（图6）。当加速度按图示方向输入时，上、下金属丝张力变化引起振动频率变化（见振弦式传感器）。用拾振器分别测出上、下振弦的频率，进行比较后即可求出加速度值。这种结构对横向加速度不敏感，因为横向加速度对两根金属丝产生的张力相等。

它的质量块为摆，力矩发生器则起限制d簧的作用。沿敏感轴输入加速度时（图7）,摆相对于框架偏移,此时信号发生器测出偏移信号，并经放大器放大后驱动力矩发生器以限制摆的偏移，力矩发生器的驱动电流即表示加速度的大小。为了消除敏感轴的摩擦，摆浸在对摆具有中性浮力的液体中，并采用磁悬挂来弥补摆的中性悬浮的不足。液体还起到阻尼作用。当有横向加速度存在时，传感器的输出会产生误差，而且灵敏度越高，误差越大。解决这个问题需要引入反馈。

参考书目

张是勉，杨树智编著：《自动检测》,科学出版社,北京，1987。