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加速度傳感器原理與應(yīng)用
文章出處：Naichuang 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2018-11-09 10:18
如今，每個(gè)人都非常關(guān)注健康。不管是出門佩戴手環(huán)、計(jì)步器，還是拿手機(jī)記錄行走步數(shù)，已經(jīng)成為很多人的生活習(xí)慣。那計(jì)步器到底是怎么工作的？現(xiàn)在的手機(jī)手環(huán)里面，一般是用一個(gè)非常小的芯片——三軸加速度傳感器。這種三軸加速度傳感器就是計(jì)步器的關(guān)鍵元器件，下面小編為大家介紹加速度傳感器原理與應(yīng)用。
加速度傳感器的原理：
通過這個(gè)加速度傳感器，可以測量手機(jī)或者是手環(huán)在三個(gè)不同方向上的加速度。通過對加速度的值進(jìn)行計(jì)算，就可以大概測出走路的步數(shù)，功耗更小但精度低。
有一種特殊的材料，叫壓電陶瓷材料，這種材料制備成的加速度傳感器可根據(jù)作用在上面的力的大小產(chǎn)生不同的形變，就可以產(chǎn)生不同的電壓變化。通過作用在上面的力來測量出加速度，然后通過加速度判斷出人在走路時(shí)是在哪個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動，或者說頻率大概是多少。
各種結(jié)構(gòu)型式的加速度傳感器應(yīng)用
下面來了解下這四種加速度傳感器在振動、沖擊測量中的應(yīng)用。
壓電式加速度傳感器
壓電式加速度傳感器是一種自發(fā)式傳感器，其輸出電荷與所感受的加速度成正比。它具有精確度高、頻響寬、動態(tài)范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長、易于安裝、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。可以采用天然石英，經(jīng)過適當(dāng)切割構(gòu)成敏感元件，但靈敏度低，造價(jià)高。目前常用的是鐵電材料，這是一種經(jīng)過人工極化處理而具有壓電性質(zhì)的人工陶瓷，采用良好的配制燒結(jié)工藝可以得到很高的壓電靈敏度和工作溫度，經(jīng)過老化處理后可以保證長期溫度穩(wěn)定性，它易于制成各種形狀的敏感元件，已先后制成了各種結(jié)構(gòu)形式的加速度傳感器。
單端壓縮式具有靈敏度高，共振頻率高的特點(diǎn)，適用于一般測量。基座隔離壓縮式可把基座耦合的影響減到最小，更適合于低振級的測量，也適合于安裝面上有應(yīng)變或溫度不穩(wěn)定的地方。
環(huán)形剪切式具有尺寸小，重量輕的特點(diǎn)，適于測量沖擊或輕小結(jié)構(gòu)件的振動，因敏感元件與底座很好的隔離，故能有效地避開底座彎曲和噪聲的影響，因敏感元件只受剪切作用，就減小了熱釋電效應(yīng)。中心孔安裝環(huán)形剪切式可任意選定接線方向。隔離剪切式采用了多塊晶體和無源補(bǔ)償片，提高了靈敏度，擴(kuò)寬了溫度范圍，保證了穩(wěn)定性，具有最高的信噪比。
集成電路式壓電加速度傳感器
集成電路式壓電加速度傳感器的制成是微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展結(jié)果，在這種傳感器的殼體內(nèi)裝有微電子信號適調(diào)電路，因此做到了低阻抗輸出，輸出信號大，對電纜和接頭帶來的干擾信號很不敏感，對各種環(huán)境因素不敏感，用一根雙線電纜或兩根塑料皮絞合線可同時(shí)起到供電和傳輸信號的作用，使用長電纜也不會降低靈敏度，不會增加噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，且改善了性能，特別適用于各種工程現(xiàn)場和需要遠(yuǎn)距離測量的地方，對靈敏度高的甚至可以直接接記錄儀器，使用方便。Endevco稱這種傳感器為ISOTRON，下圖為等效電路圖。
壓阻式加速度傳感器
新式的壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，它是由整塊硅晶體制成的。它以硅壓阻應(yīng)變片作為敏感元件，這實(shí)際上是一塊固定的硅電阻，其電阻的變化與所承受的機(jī)械應(yīng)力成正比。這可以由體積很小的整體硅片經(jīng)過微細(xì)加工制成，因此又稱為整體式傳感器，從而避開了把硅應(yīng)變片粘貼到懸梁臂上的老式結(jié)構(gòu)所帶來的機(jī)械連接不準(zhǔn)確的影響。壓阻式加速度傳感器在電路中構(gòu)成為惠斯登電橋，產(chǎn)生與振動加速度成正比的電信號。由于是配對使用，所以保證了在不同的溫度條件下輸出的穩(wěn)定性。
這種傳感器的特點(diǎn)是能測量頻率低到直流的信號而不會產(chǎn)生相位失真。它的輸出阻抗低，輸出電平高，內(nèi)在噪聲低，對電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于信號適調(diào)。某些壓阻式加速度傳感器的靈敏度高到足以直接驅(qū)動記錄儀。它對底座應(yīng)變和熱瞬變不敏感，在承受大沖擊加速度作用時(shí)沒有零點(diǎn)飄移，可以用翻轉(zhuǎn)法進(jìn)行標(biāo)定，因此廣泛地用于低頻振動和持續(xù)時(shí)間長的沖擊測量中，例如運(yùn)輸過程中振動和沖擊的測量、包裝試驗(yàn)、沖擊波研究、汽車碰撞試驗(yàn)、模態(tài)分析、顫振研究、生物醫(yī)學(xué)現(xiàn)象的研究中。
變電容式加速度傳感器
變電容式加速度傳感器是采用另一種物理原理制成的硅加速度傳感器，與壓阻式的相比，它有更高的靈敏度和抗環(huán)境振動和沖擊的能力，對溫度不敏感，穩(wěn)定性好，線性度高。描述上訴各種加速度傳感器動態(tài)特性的參數(shù)是：靈敏度、幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)、安裝共振頻率、橫向靈敏度、幅值非線性等。
加速度傳感器應(yīng)用領(lǐng)域
計(jì)步功能只是加速度傳感器的一部分應(yīng)用。在車輛安全、橋梁健康等方面，加速度傳感器都有著非常重要的作用。
中國電子科學(xué)研究院工程師廖勇：車上的安全氣囊為什么會彈起來？車開到一定速度以上，如果突然停下來，安全氣囊就會彈出，這實(shí)際上是有一個(gè)加速度傳感器在測量車在前進(jìn)方向的加速度。通過一個(gè)量的變化，來判斷現(xiàn)在應(yīng)不應(yīng)該把安全氣囊彈出來。
以上就是關(guān)于加速度傳感器原理與應(yīng)用知識介紹，加速度傳感器還可以應(yīng)用在橋梁的健康監(jiān)測中、汽車領(lǐng)域和硬盤抗沖擊防護(hù)實(shí)驗(yàn)中。以汽車為例，它可以應(yīng)用在汽車碰撞試驗(yàn)、汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。
加速度傳感器的原理：
通過這個(gè)加速度傳感器，可以測量手機(jī)或者是手環(huán)在三個(gè)不同方向上的加速度。通過對加速度的值進(jìn)行計(jì)算，就可以大概測出走路的步數(shù)，功耗更小但精度低。
有一種特殊的材料，叫壓電陶瓷材料，這種材料制備成的加速度傳感器可根據(jù)作用在上面的力的大小產(chǎn)生不同的形變，就可以產(chǎn)生不同的電壓變化。通過作用在上面的力來測量出加速度，然后通過加速度判斷出人在走路時(shí)是在哪個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動，或者說頻率大概是多少。
各種結(jié)構(gòu)型式的加速度傳感器應(yīng)用
下面來了解下這四種加速度傳感器在振動、沖擊測量中的應(yīng)用。
壓電式加速度傳感器
壓電式加速度傳感器是一種自發(fā)式傳感器，其輸出電荷與所感受的加速度成正比。它具有精確度高、頻響寬、動態(tài)范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長、易于安裝、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。可以采用天然石英，經(jīng)過適當(dāng)切割構(gòu)成敏感元件，但靈敏度低，造價(jià)高。目前常用的是鐵電材料，這是一種經(jīng)過人工極化處理而具有壓電性質(zhì)的人工陶瓷，采用良好的配制燒結(jié)工藝可以得到很高的壓電靈敏度和工作溫度，經(jīng)過老化處理后可以保證長期溫度穩(wěn)定性，它易于制成各種形狀的敏感元件，已先后制成了各種結(jié)構(gòu)形式的加速度傳感器。
單端壓縮式具有靈敏度高，共振頻率高的特點(diǎn)，適用于一般測量。基座隔離壓縮式可把基座耦合的影響減到最小，更適合于低振級的測量，也適合于安裝面上有應(yīng)變或溫度不穩(wěn)定的地方。
環(huán)形剪切式具有尺寸小，重量輕的特點(diǎn)，適于測量沖擊或輕小結(jié)構(gòu)件的振動，因敏感元件與底座很好的隔離，故能有效地避開底座彎曲和噪聲的影響，因敏感元件只受剪切作用，就減小了熱釋電效應(yīng)。中心孔安裝環(huán)形剪切式可任意選定接線方向。隔離剪切式采用了多塊晶體和無源補(bǔ)償片，提高了靈敏度，擴(kuò)寬了溫度范圍，保證了穩(wěn)定性，具有最高的信噪比。
集成電路式壓電加速度傳感器
集成電路式壓電加速度傳感器的制成是微電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展結(jié)果，在這種傳感器的殼體內(nèi)裝有微電子信號適調(diào)電路，因此做到了低阻抗輸出，輸出信號大，對電纜和接頭帶來的干擾信號很不敏感，對各種環(huán)境因素不敏感，用一根雙線電纜或兩根塑料皮絞合線可同時(shí)起到供電和傳輸信號的作用，使用長電纜也不會降低靈敏度，不會增加噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，且改善了性能，特別適用于各種工程現(xiàn)場和需要遠(yuǎn)距離測量的地方，對靈敏度高的甚至可以直接接記錄儀器，使用方便。Endevco稱這種傳感器為ISOTRON，下圖為等效電路圖。
壓阻式加速度傳感器
新式的壓阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，它是由整塊硅晶體制成的。它以硅壓阻應(yīng)變片作為敏感元件，這實(shí)際上是一塊固定的硅電阻，其電阻的變化與所承受的機(jī)械應(yīng)力成正比。這可以由體積很小的整體硅片經(jīng)過微細(xì)加工制成，因此又稱為整體式傳感器，從而避開了把硅應(yīng)變片粘貼到懸梁臂上的老式結(jié)構(gòu)所帶來的機(jī)械連接不準(zhǔn)確的影響。壓阻式加速度傳感器在電路中構(gòu)成為惠斯登電橋，產(chǎn)生與振動加速度成正比的電信號。由于是配對使用，所以保證了在不同的溫度條件下輸出的穩(wěn)定性。
這種傳感器的特點(diǎn)是能測量頻率低到直流的信號而不會產(chǎn)生相位失真。它的輸出阻抗低，輸出電平高，內(nèi)在噪聲低，對電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于信號適調(diào)。某些壓阻式加速度傳感器的靈敏度高到足以直接驅(qū)動記錄儀。它對底座應(yīng)變和熱瞬變不敏感，在承受大沖擊加速度作用時(shí)沒有零點(diǎn)飄移，可以用翻轉(zhuǎn)法進(jìn)行標(biāo)定，因此廣泛地用于低頻振動和持續(xù)時(shí)間長的沖擊測量中，例如運(yùn)輸過程中振動和沖擊的測量、包裝試驗(yàn)、沖擊波研究、汽車碰撞試驗(yàn)、模態(tài)分析、顫振研究、生物醫(yī)學(xué)現(xiàn)象的研究中。
變電容式加速度傳感器
變電容式加速度傳感器是采用另一種物理原理制成的硅加速度傳感器，與壓阻式的相比，它有更高的靈敏度和抗環(huán)境振動和沖擊的能力，對溫度不敏感，穩(wěn)定性好，線性度高。描述上訴各種加速度傳感器動態(tài)特性的參數(shù)是：靈敏度、幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)、安裝共振頻率、橫向靈敏度、幅值非線性等。
加速度傳感器應(yīng)用領(lǐng)域
計(jì)步功能只是加速度傳感器的一部分應(yīng)用。在車輛安全、橋梁健康等方面，加速度傳感器都有著非常重要的作用。
中國電子科學(xué)研究院工程師廖勇：車上的安全氣囊為什么會彈起來？車開到一定速度以上，如果突然停下來，安全氣囊就會彈出，這實(shí)際上是有一個(gè)加速度傳感器在測量車在前進(jìn)方向的加速度。通過一個(gè)量的變化，來判斷現(xiàn)在應(yīng)不應(yīng)該把安全氣囊彈出來。
以上就是關(guān)于加速度傳感器原理與應(yīng)用知識介紹，加速度傳感器還可以應(yīng)用在橋梁的健康監(jiān)測中、汽車領(lǐng)域和硬盤抗沖擊防護(hù)實(shí)驗(yàn)中。以汽車為例，它可以應(yīng)用在汽車碰撞試驗(yàn)、汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。
