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通用剪切加速度傳感器是利用壓電元件受剪切應(yīng)力而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。按壓電元件的結(jié)構(gòu)形式,可分為環(huán)形剪切型、三角剪切型、隔離剪切型等加速度傳感器。以下通過分析環(huán)形剪切型加速度傳感器,來了解剪切型加速度傳感器的原理。環(huán)形剪切型加速度傳感器的圓環(huán)形壓電陶瓷和質(zhì)量環(huán)套在傳感器的中心柱上。壓電陶瓷的極化方向平行于傳感器的軸線(z軸)。當(dāng)傳感器受到軸向振動時,質(zhì)量環(huán)由于慣性產(chǎn)生一滯后,使壓電陶瓷受到一個剪切應(yīng)力t4的作用,并在其內(nèi)外表面產(chǎn)生電荷。其電荷密度σ2=d24t4。因為壓電陶瓷的X軸和y軸等效,所以也可按σ1=d15t5計算。
環(huán)形剪切加速度傳感器的靈敏度和頻響都很高,橫向靈敏度比壓縮型小得 1一外殼;2一中心柱;3一質(zhì)量塊; 多,而且結(jié)構(gòu)簡,4一壓電陶瓷;5一基座。 單,體積小,重環(huán)形剪切型壓電式,加速度傳感器量輕(小至零點幾克),有利于傳感器的微型化。但是,由于壓電陶瓷與中心柱之間,以及慣性質(zhì)量環(huán)與壓電陶瓷之間要用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié),要求一次裝配成功,因此成品率受到影響。更主要的是由于膠的作用,使用溫度被限制在-55~+260壓電陶瓷的C范圍,這種傳感器不適宜在更高的溫度環(huán)境中使用。
剪切型加速度傳感器由于采用了重心重合的結(jié)構(gòu),克服了因重心不重合而引起的橫向加速度干擾的缺點。因此它比壓縮型加速度傳感器的橫向靈敏度要小得多。此外,由于壓電元件通常連接到中心柱上,而不與基座直接接觸,有效地隔離了基座應(yīng)變。而且殼體與彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)隔離,聲學(xué)噪聲和瞬變溫度影響也很小。表9-2列出了一組丹麥B?K公司產(chǎn)品性臺旨比聳皎。持原狀的觸發(fā)器不改變狀態(tài)。由于不存在異步計數(shù)器那種紋波進位造成的延遲時間積累,所以能取得較高的計數(shù)速度,輸出編碼也不會發(fā)生紋波進位時的那種混亂。工作原理，4位二進制計數(shù)器的狀態(tài)表①。觀察該表可以看出,Q。在每個計數(shù)脈沖到來時都要翻轉(zhuǎn)一次;o1需要在Oo=1時準各好翻轉(zhuǎn)的條件,下一個計數(shù)脈沖沿到達時立即翻轉(zhuǎn);Q2在QO=01=1時需要準各好翻轉(zhuǎn)條件,在其次態(tài)翻轉(zhuǎn);o3則在QO=Ol=O2=1的次態(tài)翻轉(zhuǎn);以此類推,可以擴展到更多的位數(shù)。于是,同步二進制計數(shù)器可用r觸發(fā)器來實現(xiàn),根據(jù)每個觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的條件確定其r輸入端的邏輯值,以控制它是否翻轉(zhuǎn)。可以推出Ⅳ位二進制計數(shù)器第1位T觸發(fā)器激勵方程.
通用剪切加速度傳感器其結(jié)構(gòu)類似于壓縮傳感器。壓電傳感器位于柱和質(zhì)量塊之間，壓縮環(huán)或螺栓用于提供預(yù)載。當(dāng)接收外部振動時，質(zhì)量產(chǎn)生的剪切應(yīng)力直接作用于敏感元件。由于敏感元件與傳感器底座分離，因此敏感元件受溫度影響較小。壓電元件徑向安裝在固定的支柱周圍，慣性質(zhì)量塊安裝在這些元件周圍。整個結(jié)構(gòu)通過常用的粘結(jié)方法連接，剪切加速度通常表現(xiàn)出較高的基礎(chǔ)應(yīng)變敏感性和溫度瞬態(tài)響應(yīng)敏感性。一些研究小組和企業(yè)還開發(fā)了多模式混合沖擊加速度傳感器和三軸沖擊加速度傳感器，以滿足復(fù)雜的空間測量需求。壓電加速度計的數(shù)學(xué)和物理模型類似于壓阻式和電容式加速度計。他們通過測量2階系統(tǒng)中質(zhì)量塊的位移間接測量加速度。三者之間的區(qū)別在于測量質(zhì)量塊位移的方法。壓電加速度計利用壓電效應(yīng)，正壓電效應(yīng)，即當(dāng)某些電介質(zhì)在外力作用下沿某一方向變形時，會發(fā)生內(nèi)部極化現(xiàn)象，并且在其兩個相對的表面上存在正負相反的電荷。通過測量兩級壓電材料之間的電位差，可以獲得變形。壓電原理廣泛應(yīng)用于宏觀加速度計中。這種加速度計的結(jié)構(gòu)主要是夾在底座和質(zhì)量塊之間的壓阻材料。MEaS通用剪切加速度傳感器的結(jié)構(gòu)與壓阻式微加速度計類似。它們是懸臂梁末端帶有質(zhì)量塊的振動系統(tǒng)。它們之間的區(qū)別在于鍍在梁上的材料不同。當(dāng)然，壓電加速度計只需要鍍上壓電材料，而不需要壓阻材料。
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