UPD65802GD-144-5BB由于慣性力的作用,當(dāng)壓阻元件上產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)棣艜r(shí),則電橋輸出電壓為壓值

usc=uoΚse (對(duì)恒壓源)           (9-28)

usc=rORKse (對(duì)恒流源)           (9-29)

式中 yO~電源電壓;

Ks一電阻元件靈敏系數(shù);

e―T應(yīng)變量;

R―電橋橋臂電阻;

rO一恒流源電流。

傳感器在加速度a的作用下產(chǎn)生的慣性力為

F=ma

懸臂梁根部所受的應(yīng)力為

σ1=6ml/bh2・a

式中  m一質(zhì)量塊的質(zhì)量(kg);

b、b―懸臂梁的寬度與厚度(m);

l一質(zhì)量塊中心至懸臂梁根部的距離(m);

a―加速度(g)。

懸臂梁根部產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/span>

e1=6ml/ebh2・a              (9-31)

式中 E一單晶硅的彈性模量。

為了保證輸出有良好的線性,設(shè)計(jì)時(shí)一般懸臂梁根部的應(yīng)變值不應(yīng)超過(guò)400~500ue。

壓阻式加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)加速度時(shí),固有頻率應(yīng)按下式計(jì)算:

fo=1/2tebh3/4ml3           (9-33)

壓電式加速度傳感器是以壓電材料為轉(zhuǎn)換元件,輸出與加速度成正比的電荷或電壓的裝置。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn),目前已成為沖擊振動(dòng)測(cè)量技術(shù)中廣泛使用的一種傳感器。世界各國(guó)作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的高頻和中頻標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器,都是壓電式的。由此可見(jiàn),質(zhì)量?jī)?yōu)良的壓電式加速度傳感器在精度、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性等方面都有獨(dú)到之處。目前,它的應(yīng)用范圍很廣,約占目前所使用的各種加速度傳感器總數(shù)的80%。壓電式加速度傳感器量程大,頻帶寬,體積小,重量輕,安裝簡(jiǎn)單,適用于各種惡劣環(huán)境。它廣泛地應(yīng)用于航空、航天、造船、車輛、電氣等各系統(tǒng)的振動(dòng)、沖擊測(cè)試。在大型客運(yùn)飛機(jī)上,為保證飛行安全,就裝有壓電式加速度傳感器振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)。例如,在B747客機(jī)上安裝監(jiān)測(cè)用的壓電式加速度傳感器多達(dá)百余個(gè)。

工作原理,圖9-67為壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。壓電傳換元件一般由兩塊壓電片(石英晶片或壓電陶瓷片)組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層,并在銀層上焊接輸出引線,或在兩壓電片之間夾一片金屬薄片,引線就焊接在金屬薄片上。輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)質(zhì)量塊,質(zhì)量塊一般采用比重較大的金屬鎢或高比重合金制成,在保證所需質(zhì)量的前提下,使體積盡可能小。為了消除質(zhì)量塊與壓電元件之間,以

及壓電元件本身之間因加工粗糙造成的接觸不良而引起的非線性誤差,并且保證傳感器在交變力的作用下正常工作,裝配時(shí)應(yīng)對(duì)壓電元件施加預(yù)壓縮載荷。圖9-67中所示的是利用硬彈簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓縮載荷的。除此之外,還可以通過(guò)螺栓、螺帽等對(duì)壓電元件預(yù)加載荷。靜態(tài)預(yù)載荷的大小應(yīng)遠(yuǎn)大于傳感器在振動(dòng)、沖擊測(cè)試中可能承受的最大動(dòng)壓電式加速度,傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,1一殼體;2一彈簧;3一質(zhì)量塊;4一壓電片;5一輸出端應(yīng)力。這樣,當(dāng)傳感器向上運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力增加;反之,

當(dāng)傳感器向下運(yùn)動(dòng)時(shí),壓電元件上的壓應(yīng)力減小。

傳感器的整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座上,并用金屬殼體加以封罩。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去,避免由此產(chǎn)生的假信號(hào),所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來(lái)制造,如鈦合金、不銹鋼等。殼體和基座的質(zhì)量差不多占傳感器總重量的一半。

測(cè)量時(shí),將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器承受振動(dòng)時(shí),由于彈簧的剛度相當(dāng)大,而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小,可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此,質(zhì)量塊感受與傳感器基座(或試件)相同的振動(dòng),并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣,質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的交變力作用在壓電元件上。由于壓電元件具有壓電效應(yīng),因此,在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷(或電壓)。當(dāng)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí),傳感器輸出電荷(或電壓)與作用力成正比,亦即與試件的加速度成正比。經(jīng)專用放大器(電

壓放大器或電荷放大器)放大后即可測(cè)出試件的加速度。

靈敏度是表征壓電式加速度傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo),它的定義是輸出量(電荷或電壓)與輸入量(加速度)的比值。當(dāng)傳感器與電荷放大器配合使用時(shí),用電荷靈敏度Kq表示;與電壓放大器配合使用時(shí),則用電壓靈敏度Κu表示。其一般表達(dá)式如下:

Kq=q/a (cs2/m)               (9-34)

或

Κu=ua/a (vs2/m)

式中 g一壓電式傳感器輸出電荷量(C);

ua一傳感器的開路電壓(V);

a―被測(cè)加速度(m/s2)。

4位同步二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器的一種實(shí)現(xiàn)方案。圖中,4個(gè)點(diǎn)畫線方框內(nèi)均采用D觸發(fā)器與同或門實(shí)現(xiàn)r觸發(fā)器的邏輯功能[如圖5,4,9(b)]。由圖6.5.11可列出電路的激勵(lì)方程組

fu=cE

lr=u0=Qo・cE     (652)

qw=7170=GO0・cu

tr3=02D100=Q2Q100・CE

可以看出,當(dāng)計(jì)數(shù)使能端cE=1時(shí),式(6.5.2)與式(6.5,1)所表達(dá)的意義是一致的。

CEr3=g2g1gO,cEr觸發(fā)器

4位同步二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器,圖6.5.12所示是圖6.5.11所示電路的時(shí)序圖,其中虛線是考慮到觸發(fā)器傳輸延遲時(shí)間rpd的波形。由圖6.5.12可知,在同步計(jì)數(shù)器中,由于計(jì)數(shù)脈沖CP同時(shí)作用于各觸發(fā)器,所有觸發(fā)器的狀態(tài)刷新是同時(shí)進(jìn)行的,都比計(jì)數(shù)脈沖CP的作用時(shí)間滯后一個(gè)tpdo因此,輸出狀態(tài)比異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器穩(wěn)定,其工作速度一般高于異步計(jì)數(shù)器。應(yīng)當(dāng)指出,同步計(jì)數(shù)器的電路結(jié)構(gòu)比異步計(jì)數(shù)器復(fù)雜,需要增加一些控制電路,其工作速度也要受到這些電路傳輸延遲時(shí)間的限制。