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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(mén)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(guò)這個(gè)加速度傳感器，可以測(cè)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(guò)對(duì)加速度的值進(jìn)行計(jì)算，就可以大概測(cè)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(guò)作用在上面的力來(lái)測(cè)量出加速度，然后通過(guò)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(dòng)，或者說(shuō)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(lái)了解下這四種加速度傳感器在振動(dòng)、沖擊測(cè)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(dòng)態(tài)范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長(zhǎng)、易于安裝、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。可以采用天然石英，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)老化處理后可以保證長(zhǎng)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(cè)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(jí)的測(cè)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(cè)量沖擊或輕小結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)，因敏感元件與底座很好的隔離，故能有效地避開(kāi)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(wú)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(hào)適調(diào)電路，因此做到了低阻抗輸出，輸出信號(hào)大，對(duì)電纜和接頭帶來(lái)的干擾信號(hào)很不敏感，對(duì)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(hào)的作用，使用長(zhǎng)電纜也不會(huì)降低靈敏度，不會(huì)增加噪聲，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，且改善了性能，特別適用于各種工程現(xiàn)場(chǎng)和需要遠(yuǎn)距離測(cè)量的地方，對(duì)靈敏度高的甚至可以直接接記錄儀器，使用方便。Endevco稱(chēng)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(guò)微細(xì)加工制成，因此又稱(chēng)為整體式傳感器，從而避開(kāi)了把硅應(yīng)變片粘貼到懸梁臂上的老式結(jié)構(gòu)所帶來(lái)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(dòng)加速度成正比的電信號(hào)。由于是配對(duì)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(cè)量頻率低到直流的信號(hào)而不會(huì)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(duì)電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于信號(hào)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(dòng)記錄儀。它對(duì)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(méi)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(dòng)和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的沖擊測(cè)量中，例如運(yùn)輸過(guò)程中振動(dòng)和沖擊的測(cè)量、包裝試驗(yàn)、沖擊波研究、汽車(chē)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(dòng)和沖擊的能力，對(duì)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(dòng)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(chē)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(guó)電子科學(xué)研究院工程師廖勇：車(chē)上的安全氣囊為什么會(huì)彈起來(lái)？車(chē)開(kāi)到一定速度以上，如果突然停下來(lái)，安全氣囊就會(huì)彈出，這實(shí)際上是有一個(gè)加速度傳感器在測(cè)量車(chē)在前進(jìn)方向的加速度。通過(guò)一個(gè)量的變化，來(lái)判斷現(xiàn)在應(yīng)不應(yīng)該把安全氣囊彈出來(lái)。
以上就是關(guān)于加速度傳感器原理與應(yīng)用知識(shí)介紹，加速度傳感器還可以應(yīng)用在橋梁的健康監(jiān)測(cè)中、汽車(chē)領(lǐng)域和硬盤(pán)抗沖擊防護(hù)實(shí)驗(yàn)中。以汽車(chē)為例，它可以應(yīng)用在汽車(chē)碰撞試驗(yàn)、汽車(chē)安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車(chē)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(guò)這個(gè)加速度傳感器，可以測(cè)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(guò)對(duì)加速度的值進(jìn)行計(jì)算，就可以大概測(cè)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(guò)作用在上面的力來(lái)測(cè)量出加速度，然后通過(guò)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(dòng)，或者說(shuō)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(lái)了解下這四種加速度傳感器在振動(dòng)、沖擊測(cè)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(dòng)態(tài)范圍大、尺寸小、重量輕、壽命長(zhǎng)、易于安裝、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。可以采用天然石英，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)老化處理后可以保證長(zhǎng)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(cè)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(jí)的測(cè)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(cè)量沖擊或輕小結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)，因敏感元件與底座很好的隔離，故能有效地避開(kāi)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(wú)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(hào)適調(diào)電路，因此做到了低阻抗輸出，輸出信號(hào)大，對(duì)電纜和接頭帶來(lái)的干擾信號(hào)很不敏感，對(duì)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(hào)的作用，使用長(zhǎng)電纜也不會(huì)降低靈敏度，不會(huì)增加噪聲，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，且改善了性能，特別適用于各種工程現(xiàn)場(chǎng)和需要遠(yuǎn)距離測(cè)量的地方，對(duì)靈敏度高的甚至可以直接接記錄儀器，使用方便。Endevco稱(chēng)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(guò)微細(xì)加工制成，因此又稱(chēng)為整體式傳感器，從而避開(kāi)了把硅應(yīng)變片粘貼到懸梁臂上的老式結(jié)構(gòu)所帶來(lái)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(dòng)加速度成正比的電信號(hào)。由于是配對(duì)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(cè)量頻率低到直流的信號(hào)而不會(huì)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(duì)電磁和靜電干擾的敏感度低，所以易于信號(hào)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(dòng)記錄儀。它對(duì)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(méi)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(dòng)和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的沖擊測(cè)量中，例如運(yùn)輸過(guò)程中振動(dòng)和沖擊的測(cè)量、包裝試驗(yàn)、沖擊波研究、汽車(chē)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(dòng)和沖擊的能力，對(duì)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(dòng)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(chē)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(guó)電子科學(xué)研究院工程師廖勇：車(chē)上的安全氣囊為什么會(huì)彈起來(lái)？車(chē)開(kāi)到一定速度以上，如果突然停下來(lái)，安全氣囊就會(huì)彈出，這實(shí)際上是有一個(gè)加速度傳感器在測(cè)量車(chē)在前進(jìn)方向的加速度。通過(guò)一個(gè)量的變化，來(lái)判斷現(xiàn)在應(yīng)不應(yīng)該把安全氣囊彈出來(lái)。
以上就是關(guān)于加速度傳感器原理與應(yīng)用知識(shí)介紹，加速度傳感器還可以應(yīng)用在橋梁的健康監(jiān)測(cè)中、汽車(chē)領(lǐng)域和硬盤(pán)抗沖擊防護(hù)實(shí)驗(yàn)中。以汽車(chē)為例，它可以應(yīng)用在汽車(chē)碰撞試驗(yàn)、汽車(chē)安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。
