關(guān)于振動傳感器的分類及其應(yīng)用

本文為大家介紹一下振動傳感器的分類，以及實(shí)現(xiàn)的原理，希望大家喜歡。

一、振動傳感器分類

所謂振動傳感器，是由機(jī)械系統(tǒng)的振動能量啟動工作，并向電氣系統(tǒng)供給能量的變換器．基本可以分以下三類：

l  加速度檢測(基本單位為m/s²)

l  速度檢測型(基本單位為m/s)

l  變位檢測型(基本單位為m)

其中加速度檢測型和速度檢測型是固定在振動物體上使用的，變位檢測型為非接觸式，在使用時(shí)無需安裝在振動物體上。

上圖為加速度、速度、位移在各頻率情況時(shí)對同一諧波的監(jiān)測的對比圖從頻率上說，加速度檢測型主要用于中頻到高頻范圍，速度檢測型主要用于中頻，變位撿測型主要用于中頻到低頻范圍。一般來說，加速度檢測型應(yīng)用得最為廣泛。

二、加速度傳感器的分類

按照慣性檢測質(zhì)量的運(yùn)動方式可分為線加速度傳感器和角加速度傳感器;

按照有無反饋信號可分為開環(huán)和閉環(huán)加速度傳感器;

按照材料分類有硅微加速度傳感器、石英加速度傳感器、金屬加速度傳感器;

按照結(jié)構(gòu)形式分類有梳齒式、蹺蹺板式、三明治式加速度傳感器;

按照信號檢測方式可分為壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式及諧振式等。那么后面簡單介紹一下壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式及諧振式的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢：

2.1壓阻式

壓阻式加速度傳感器通常采用壓敏電阻作為敏感元件。壓敏電阻的電阻率變化與質(zhì)量塊的位移有關(guān)。其工作原理是將被測加速度轉(zhuǎn)換為硅材料的電阻率變化來進(jìn)行加速度的測量。

圖1壓阻式MEMS加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)通常很簡單，加工工藝與IC技術(shù)兼容，具有良好的直流響應(yīng)特性。但是靈敏度很小(在20～50g量程下約為1～2mV/g)，溫度效應(yīng)嚴(yán)重，動態(tài)范圍有限。

2.2電容式

電容式加速度傳感器的敏感元件為固定電極和可動電極之間的電容器，是目前研究最多的一類加速度傳感器，一般采用懸臂梁、固支梁或撓性軸結(jié)構(gòu)，支撐一個(gè)當(dāng)作電容動板電極的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊與一個(gè)固定極板構(gòu)成一個(gè)平板電容。其工作原理是在外部加速度作用下，校驗(yàn)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，這樣就會改變質(zhì)量塊和電極之間的電容，將這種變化量用外圍電路檢測出來就可測量加速度的大小。一種電容式MEMS加速度傳感器的示意圖如圖2所示。

圖2一種典型的電容式MEMS加速度傳感器結(jié)構(gòu)

電容式加速度傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，比如高靈敏度、良好的直流響應(yīng)特性、低溫度效應(yīng)和低功率耗散。但是，由于傳感器輸出的高阻抗，電容式加速度傳感器

易受電磁干擾影響，可以通過硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.3壓電式

壓電式加速度傳感器的敏感元件是壓電材料，壓電材料直接將作用于質(zhì)量塊的力轉(zhuǎn)換為電信號。壓電式MEMS加速度傳感器的工作原理如圖3所示。加速度傳感器的質(zhì)量塊與壓電材料相連，當(dāng)輸入加速度時(shí)，加速度通過質(zhì)量塊形成的慣性力加在壓電材料上，使壓電材料產(chǎn)生變形，壓電材料產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷(電壓)與加速度成正比，輸出電量經(jīng)放大后就可檢測出加速度大小。

壓電式加速度傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：動態(tài)范圍寬，在全部動態(tài)范圍內(nèi)線性度好，頻率范圍寬，質(zhì)量輕。但是，由于電荷泄漏，壓電式加速度傳感器不適于測量線(零頻)加速度，將壓電薄膜與泄漏路徑絕緣，可以達(dá)到接近零頻率的平坦響應(yīng)。而且由于壓電效應(yīng)，壓電式加速度傳感器溫度效應(yīng)嚴(yán)重，使用差動敏感器件可以減小這種溫度效應(yīng)。

2.4隧道電流式

隧道電流式MEMS加速度傳感器由于其潛在的高性能和廣闊的應(yīng)用需求，一直以來成為研究的熱點(diǎn)。隧道電流式MEMS加速度傳感器的工作原理是利用電子勢壘隧道效應(yīng)，把輸入的加速度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊的相對位移，再通過隧道效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)換為隧道電流的變化，最后用檢測電路測出電流變化量從而獲得相應(yīng)

加速度的大小。圖4為一種隧道電流式MEMS加速度傳感器。

4隧道電流式MEMS加速度傳感器

隧道電流式MEMS加速度傳感器是加速度傳感器在高靈敏度、高可靠性方面應(yīng)用的一個(gè)典型代表，其頻帶寬、靈敏度極高，大約在10－9g左右，溫度效應(yīng)小，又由于質(zhì)量塊的機(jī)械活動范圍小，因而線性度好，可靠性高。但是隧道電流式MEMS加速度傳感器信號噪聲大，工作電壓高，加工難度大，成品率不高。

2.5諧振式

諧振式MEMS加速度傳感器的工作原理是利用加速度使諧振頻率發(fā)生變化，從而測量出加速度。當(dāng)傳感器的平行梁形狀改變時(shí)，剛度也會改變，兩對諧振器分別感應(yīng)慣性力，這會在諧振頻率的變化上顯示出來，使二者頻率改變，比較這兩個(gè)頻率就可以測量出加速度的大小。

諧振式MEMS加速度傳感器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是可以直接輸出數(shù)字，測量精度極高，是一種很有前途和應(yīng)用價(jià)值的傳感器，但是制作工藝復(fù)雜。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5諧振式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

以上就是本次內(nèi)容的全部啦，Witium自主研發(fā)的溫振一體傳感器采用的就是MEMS技術(shù)，每秒可捕捉超2萬的設(shè)備振動數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且可以三軸實(shí)時(shí)采集振動數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)同步輸出，是WitExpert預(yù)測性系統(tǒng)非常重要的組成部分。下期為大家介紹MEMS技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別和各自的優(yōu)劣勢。