加速度的测量-力学基础实验课件-06分解.ppt
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- 加速度 测量 力学 基础 实验 课件 06 分解
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1、 背景介绍背景介绍压电式传感器压电式传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器其它类型的加速度传感器其它类型的加速度传感器压电式传感器的标定压电式传感器的标定动态加速度测量实验动态加速度测量实验第六章 加速度测量 现在已有很多测量力、压力和运动的方法,现在已有很多测量力、压力和运动的方法,现在讨论这些测量所涉及的公用组成部分。经常需要测现在讨论这些测量所涉及的公用组成部分。经常需要测量的运动是直线运动和角运动,对这两种运动三个基本量的运动是直线运动和角运动,对这两种运动三个基本参数是位移(参数是位移(S S和和)、速度()、速度(V V和和)和加速度()和加速度(a a和和),它们之间的关系在
2、数学上表示为:它们之间的关系在数学上表示为:这表明,可以测出其中的一个量,然后进行积分或微这表明,可以测出其中的一个量,然后进行积分或微分运算得到另一些量。由于微分的误差放大,而积分是分运算得到另一些量。由于微分的误差放大,而积分是修匀的过程,普遍使用积分运算,所以加速度测量是运修匀的过程,普遍使用积分运算,所以加速度测量是运动测量的基础。另外,力和压力传感器本质上也是加速动测量的基础。另外,力和压力传感器本质上也是加速度计:度计:F=ma,P=F/sF=ma,P=F/s 2222,dsddVd sddVadtdtdtdtdtdt背景介绍背景介绍加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物加速度
3、是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。因此,可以理量。因此,可以通过测量加速度来测量物体的通过测量加速度来测量物体的运动状态运动状态。无需知道几何位置等,即可实时了解。无需知道几何位置等,即可实时了解动态信息(非惯性);通常还动态信息(非惯性);通常还通过测量加速度来通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负荷的大小判断运动机械系统所承受的加速度负荷的大小,以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控制其运动加速度,以免机件损坏。对于加速度,制其运动加速度,以免机件损坏。对于加速度,常用绝对法测量,即把惯性型测量装置安装在运常用绝对法测量,即把
4、惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。动体上进行测量。加速度测量加速度测量惯性导航系统惯性导航系统船用平台式惯性导航系统船用平台式惯性导航系统 一般采用水平指北方案。由陀螺仪(三个单自由或一般采用水平指北方案。由陀螺仪(三个单自由或二个双自由)构成稳定平台,跟踪并稳定在当地地理坐标二个双自由)构成稳定平台,跟踪并稳定在当地地理坐标系内。在惯性平台上安装两个敏感轴互相垂直、分别沿东系内。在惯性平台上安装两个敏感轴互相垂直、分别沿东西向和南北向放置的加速度计,用以测量这两个方向的加西向和南北向放置的加速度计,用以测量这两个方向的加速度信息。速度信息。加速度传感器应用示例惯性导航系统(惯性导航系统(
5、INSINS):):优点:优点:完全自主的导航完全自主的导航 可提供多种导航信息可提供多种导航信息缺点:缺点:精度逐渐降低。精度逐渐降低。初始对准时间长初始对准时间长卫星导航系统(卫星导航系统(GPSGPS):):优点:优点:定位精度高定位精度高 精度不随时间变化精度不随时间变化缺点:缺点:卫星信号不易捕获和跟踪卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差抗干扰能力差因而被认为是目前导航领域和大地测量领域最因而被认为是目前导航领域和大地测量领域最理想的组合方式。理想的组合方式。GPSGPS系统与惯导系统具有互补的特点系统与惯导系统具有互补的特点惯性导航与GPS的比较固体振动特(乐器为例)编钟振动与模态
6、分析固体结构的冲击响应固体结构的冲击响应与频谱特性测量与频谱特性测量高速撞击实验与测量 碰撞实验中,利用加速度传感器可进行:碰撞实验中,利用加速度传感器可进行:1 1、碰撞程度测量、碰撞程度测量(不同速度、与不同物体碰撞等);(不同速度、与不同物体碰撞等);2 2、车内不同部位感受的、车内不同部位感受的冲击程度(车的结构设计有关);冲击程度(车的结构设计有关);3 3、乘客坐姿、部位、约束、乘客坐姿、部位、约束条件等对感受冲击的影响。条件等对感受冲击的影响。装有传感装有传感器的假人器的假人汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器还可以在汽车发生碰撞时,给出信号,使用加速度传感器还
7、可以在汽车发生碰撞时,给出信号,触发控制系统使气囊迅速充气(正常车内安装)。触发控制系统使气囊迅速充气(正常车内安装)。利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置MEMSMEMS加速度传感器的应用加速度传感器的应用 用于测加速度的传感器主要是用于测加速度的传感器主要是压电式的,其它有电阻应变式、电位压电式的,其它有电阻应变式、电位器式、霍尔式、伺服式等,由于压电器式、霍尔式、伺服式等,由于压电式传感器结构简单、体积小、轻巧、式传感器结构简单、体积小、轻巧、频带宽、性能稳定、线性度好因此在频带宽、性能稳定、线性度好因此在振动和力的测量方面被广泛应用。振动和力的测量方面被广
8、泛应用。6.16.1压电式传感器压电式传感器 利用某些材料的压电效应制作的各利用某些材料的压电效应制作的各类传感器称为压电式传感器类传感器称为压电式传感器 。具有压电效。具有压电效应的材料有三大类:压电晶体、压电陶瓷、应的材料有三大类:压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜,以压电晶体应用最多。压电薄膜,以压电晶体应用最多。1 1压电效应压电效应 某些单晶体和多晶体陶瓷材料某些单晶体和多晶体陶瓷材料受到外力作用时能在材料中产生电场(在受到外力作用时能在材料中产生电场(在表面产生电荷),当外力除去时,又重新表面产生电荷),当外力除去时,又重新恢复到不带电的状态。这个物理现象称为恢复到不带电的状态。这个物理
9、现象称为“压电效应压电效应”。具有压电效应的材料称为。具有压电效应的材料称为压电材料,它们同时具有逆压电效应,即压电材料,它们同时具有逆压电效应,即在电场作用下会发生变形。在电场作用下会发生变形。以石英晶体为例说明压电工作原理。天然的石英晶以石英晶体为例说明压电工作原理。天然的石英晶体是正六面体,在晶体学中可以把它用三条互相垂体是正六面体,在晶体学中可以把它用三条互相垂直的轴来表示。纵轴直的轴来表示。纵轴Z Z轴轴-光轴;通过六面体棱线光轴;通过六面体棱线并垂直于光轴的轴线并垂直于光轴的轴线X X轴轴-电轴;同时垂直于光轴电轴;同时垂直于光轴和电轴的轴线和电轴的轴线Y Y轴轴-力轴。如果切割出
10、一个平行六力轴。如果切割出一个平行六面体,使晶体面分别平行于光轴、电轴和力轴,当面体,使晶体面分别平行于光轴、电轴和力轴,当在在X X方向或方向或Y Y方向对晶体施加力时,只能在垂直于电方向对晶体施加力时,只能在垂直于电轴的晶面上出现电荷,在轴的晶面上出现电荷,在Z Z轴方向施加力时,晶面上轴方向施加力时,晶面上无电荷。无电荷。(a a)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。(b b)在)在X X轴方向压缩,表面轴方向压缩,表面A A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。(c c)沿)沿Y Y轴方向压缩,在轴方向压
11、缩,在A A和和B B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别呈现正电荷和负电荷 对于不同方向的作用力,给定的晶体平面上产生的电荷极对于不同方向的作用力,给定的晶体平面上产生的电荷极性也不同。因此压电材料在外力作用时产生的极化电荷不性也不同。因此压电材料在外力作用时产生的极化电荷不仅能反映外力的大小,也能反映外力的作用方向。描述压仅能反映外力的大小,也能反映外力的作用方向。描述压电效应中机械变量和电变量之间的关系是压电方程。电效应中机械变量和电变量之间的关系是压电方程。2 2 压电方程压电方程压电方程有四种形式(电场强度压电方程有四种形式(电场强度E E或电荷密度或电荷密度D D与应力与应力T
12、T或应变或应变S S的不同组合),它们可以互相的不同组合),它们可以互相转换。转换。这里只讨论正向压电效应,一般不考虑磁场的这里只讨论正向压电效应,一般不考虑磁场的作用并且没有外加电场的作用。作用并且没有外加电场的作用。电荷密度(极化强度)电荷密度(极化强度)D D和应变和应变S S的关系的关系 (略)(略)电荷密度(极化强度)电荷密度(极化强度)D D和应力和应力T T的关系的关系:在复杂应力状态下,完整的在复杂应力状态下,完整的表达式为:表达式为:DxDx、DyDy、DzDz分别是垂直于分别是垂直于X X、Y Y、Z Z轴平面上的电荷密度轴平面上的电荷密度(库(库/米米2 2););Txx
13、 Txx、Tyy Tyy、TzzTzz 分别是轴向应力(牛分别是轴向应力(牛/米米2 2););Txy Txy、Tyz Tyz、TzxTzx分别是剪应力分别是剪应力 (牛(牛/米米2 2););d dijij 是压电应力系数矩阵,也称压电模量(库是压电应力系数矩阵,也称压电模量(库/牛)。牛)。3 6xxyyxzzyijyzzzxxyTTDTDdTDTT d dijij 是压电应力系数矩阵,也称压电模量是压电应力系数矩阵,也称压电模量(库(库/牛)。物理意义是无外加电场的作用或牛)。物理意义是无外加电场的作用或恒电场条件下,单位应力所产生的极化电荷恒电场条件下,单位应力所产生的极化电荷密度。在
14、密度。在M.K.S.M.K.S.制中单位为:制中单位为:(库(库/米米2 2)/(牛(牛/米米2 2)=库库/牛牛 传感器实际应用中,晶体都工作在简传感器实际应用中,晶体都工作在简单受力状态,方程将大大简单受力状态,方程将大大简 化,一般都是采取厚度方化,一般都是采取厚度方 向承载。向承载。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 人工制造的多晶体,压电机理与压电晶体不同。人工制造的多晶体,压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化极化后,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量极化后,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为时,却无法测出
15、陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来,的形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷束缚电荷符号相反而数量相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不
16、能测出陶瓷片内的极化程度,如图。片内的极化程度,如图。自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F F,如图,陶瓷片将产生压缩形变(图中虚线),片内的正、如图,陶瓷片将产生压缩形变(图中虚线),片内的正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小。因此,负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小。因此,原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出现放电荷现象
17、。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状现放电荷现象。当压力撤消后,陶瓷片恢复原状(这是这是一个膨胀过程一个膨胀过程),片内的正、负电荷之间的距离变大,片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应,或者由出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应,或者由机械能转变为电能的现象,就是正压电效应。机械能转变为电能的现象,就是正压电效应。极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图(实线代表形变前的情况,虚线(实线代表形变前的情况,虚线代表形变后的情况)代表形变后的情况)FFdQ33 同样,若
18、在陶瓷片上加一个与极化方向相同的同样,若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,如图左,由于电场的方向与极化强度的方向相同,电场,如图左,由于电场的方向与极化强度的方向相同,所以电场的作用使极化强度增大。这时,陶瓷片内的正所以电场的作用使极化强度增大。这时,陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片沿极化方负束缚电荷之间距离也增大,就是说,陶瓷片沿极化方向产生伸长形变(图中虚线)。同理,如果外加电场的向产生伸长形变(图中虚线)。同理,如果外加电场的方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能
19、转变变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象,就是逆压电效应。为机械能的现象,就是逆压电效应。逆压电效应示意图逆压电效应示意图 极化方向电场方向 由此可见,压电陶瓷所以具有压电效应,是由于陶由此可见,压电陶瓷所以具有压电效应,是由于陶瓷内部存在瓷内部存在自发极化自发极化。这些自发极化经过极化工序处理。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后,陶瓷内即存在剩余极化强度。如果而被迫取向排列后,陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用(如压力或电场的作用)能使此极化强度发外界的作用(如压力或电场的作用)能使此极化强度发生变化,陶瓷就出现压电效应。此外,还可以看出,陶生变化,
20、陶瓷就出现压电效应。此外,还可以看出,陶瓷内的极化电荷是瓷内的极化电荷是束缚电荷束缚电荷,而不是自由电荷,这些束,而不是自由电荷,这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象,是通过陶瓷内部极化强度的变化,引起电极面上现象,是通过陶瓷内部极化强度的变化,引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。自由电荷的释放或补充的结果。3.压电元件的等效电路hshsCra0aCQU 压电式传感器的等效电路(a)(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q Q与一个电容与一个电容C Ca a并联的电路并联的电路 (b)(b)等效成一个电源等效成一个电源U
21、 U=Q Q/C Ca a 和一个电容和一个电容C Ca a的串联电路的串联电路 两个压电片的联结方式(a a)“并联并联”,Q Q=2=2Q Q,U U=U U,C C=2=2C C并联接法输出电荷大,本身电容大,时间常数大,并联接法输出电荷大,本身电容大,时间常数大,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方,(b b)“串联串联”Q Q=Q Q,U U=2=2U U,C C=C C/2/2而串联接法输出电压大,本身电容小。而串联接法输出电压大,本身电容小。适宜用于以电压作输出信号,且测量电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号,
22、且测量电路输入阻抗很高的地方。4.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值,才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器,然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大;把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。(1)电压放大器C Ca a:传感器的电容:传感器的电容 R Ra a:传感器的漏电阻:传感器的漏电阻 C Cc c:连接电缆的等效电容:连接电缆的等效电容R Ri i:放大器的输入电阻:放大器的输入电阻C Ci i:放大器的输入电容:放大
23、器的输入电容iaiaRRRRRicaCCCC前置放大器输入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力压电元件的力 F=FF=Fm msintsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d d3333,产生的电荷为,产生的电荷为Q=dQ=d3333F F。tFddtdQimcos33FdjI33RCjRjFdUi133。2233)()(1icamimCCCRRFdu输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力(当作用力是静态力(=0=0)时,前置放大器的输入电压为零。时,前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理
24、量。压电式传感器突出优点:高频响应相当好。压电式传感器突出优点:高频响应相当好。传感器的低频响应范围 如果被测物理量是缓慢变化的动态量,而测量回路的时间如果被测物理量是缓慢变化的动态量,而测量回路的时间常数又不大,则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传常数又不大,则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围,就必须尽量提高回路的时间常数。感器的低频响应范围,就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数,因为但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数,因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的,切实可行的办法是传感器的电压灵敏度与电容成反比的,切实可行的办法
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