探究加速度傳感器的分類及原理

加速度是描述物體速度變化快慢的物理量，通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動的方式。

為了測量并計算這些物理量，便產(chǎn)生了加速度傳感器。

加速度傳感器

加速度傳感器是一種能夠測量加速力，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。加速度計有兩種：一種是角加速度計，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進的。另一種就是線加速度計。

加速度傳感器可應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表；手柄振動和搖晃、玩具、鼠標(biāo)；汽車制動啟動檢測、報警系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視；工程測振、地質(zhì)勘探、地震檢測；鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

加速度傳感器的分類及原理

根據(jù)牛頓第二定律：A（加速度）=F（力）/M(質(zhì)量)

只需測量作用力F就可以得到已知質(zhì)量物體的加速度。利用電磁力平衡這個力，就可以得到作用力與電流（電壓）的對應(yīng)關(guān)系，通過這個簡單的原理來設(shè)計加速度傳感器。

所以，加速度傳感器的本質(zhì)是通過作用力造成傳感器內(nèi)部敏感部件發(fā)生變形，通過測量其變形并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，得到相應(yīng)的加速度信號。

加速度傳感器按工作原理又分為四種：

1、壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。

某些晶體在一定方向上受力變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。

具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。

在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

圖 壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)

S是彈簧 M是質(zhì)量塊 B是基座 P是壓電元件 R是夾持環(huán)

圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。

圖b為環(huán)形剪切型，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。

圖c為三角剪切形，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。

壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。

雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

2、壓阻式加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器（基于MEMS硅微加工技術(shù)），壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現(xiàn)對加速度的測量。

圖 壓阻式加速度傳感器原理圖

壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結(jié)構(gòu)形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。

在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會使懸臂梁上的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。

圖 雙臂梁結(jié)構(gòu)

基于世界領(lǐng)先的MEMS硅微加工技術(shù)，壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實驗、測試儀器、設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域。

應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。

現(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。

同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個特定設(shè)計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。

壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠高于壓電型加速度傳感器。

壓阻式加速度傳感器

3、電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流（或液流）的振動速度（或加速度），還可以進一步測出壓力。

電容式加速度傳感器原理圖

電容式加速度傳感器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動加速度的關(guān)系式簡單方便易于計算等優(yōu)點，具有較高的實際應(yīng)用價值。

但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器/電容式加速度計是對比較通用的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無可替代，如安全氣囊，手機移動設(shè)備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計采用了微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝。在大量生產(chǎn)時變得經(jīng)濟，從而保證了較低的成本。

4、伺服式加速度傳感器

當(dāng)被測振動物體通過加速度計殼體有加速度輸入時，質(zhì)量塊偏離靜平衡位置，位移傳感器檢測出位移信號，經(jīng)伺服放大器放大后輸出電流，該電流流過電磁線圈，從而在永久磁鐵的磁場中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，迫使質(zhì)量塊回到原來的靜平衡位置，即加速度計工作在閉環(huán)狀態(tài)，傳感器輸出與加速度計成一定比例的模擬信號，它與加速度值成正比關(guān)系。

伺服式加速度傳感器原理圖

伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測試系統(tǒng)，具有動態(tài)性 能好、動態(tài)范圍大和線性度好等特點。其工作原理，傳感器的振動系統(tǒng)由 "m-k”系統(tǒng)組成，與一般加速度計相同，但質(zhì)量m上還接著一個電磁線圈，當(dāng)基座上有 加速度輸入時，質(zhì)量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測出來，經(jīng)伺服放大器 放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出，該電流流過電磁線圈，在永久磁鐵的磁場中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，力圖使質(zhì)量塊保持在儀表殼體中原來的平衡位置上，所以伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。

由于有反饋作用，增強了抗干擾的能力，提高測量精度，擴大了測量范圍，伺服加速度 測量技術(shù)廣泛地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，在高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。

5、三軸加速度傳感器

也是基于加速度的基本原理去實現(xiàn)工作的，加速度是個空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運動狀態(tài)，必須測得其三個坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運動方向的場合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來檢測加速度信號。

由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的，因此用三軸加速度傳感器可以實現(xiàn)雙軸正負90度或雙軸0-360度的傾角，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為60度的情況。

目前的三軸加速度傳感器/三軸加速度計大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進行采集。

三軸加速度傳感器具有體積小和重量(gm)輕特點，可以測量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運動性質(zhì)，在航空航天、機器人、汽車和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

幾種加速度傳感器的比較