加速度傳感器的分類、工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過(guò)程中，通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見(jiàn)的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。

　　加速度傳感器，包括由硅膜片、上蓋、下蓋，膜片處于上蓋、下蓋之間，鍵合在一起；一維或二維納米材料、金電極和引線分布在膜片上，并采用壓焊工藝引出導(dǎo)線；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振傳感器，主要是壓電式加速度傳感器。其工作原理主要利于壓電敏感元件的壓電效應(yīng)得到與振動(dòng)或者壓力成正比的電荷量或者電壓量。目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)典型采用IEPE型加速度傳感器，及內(nèi)置IC電路壓電加速度傳感器，傳感器輸出與振動(dòng)量正正比的電壓信號(hào)。

　　加速度傳感器的分類

　　壓電式

　　壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。

　　壓阻式

　　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(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)、測(cè)試儀器、設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

　　電容式

　　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。電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)是對(duì)比較通用的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無(wú)可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動(dòng)設(shè)備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)采用了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝，在大量生產(chǎn)時(shí)變得經(jīng)濟(jì)，從而保證了較低的成本。

　　伺服式

　　伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)性 能好、動(dòng)態(tài)范圍大和線性度好等特點(diǎn)。其工作原理，傳感器的振動(dòng)系統(tǒng)由 “m-k”系統(tǒng)組成，與一般加速度計(jì)相同，但質(zhì)量m上還接著一個(gè)電磁線圈，當(dāng)基座上有 加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)伺服放大器 放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出，該電流流過(guò)電磁線圈，在永久磁鐵的磁場(chǎng)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(lái)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?zhàn)饔茫鰪?qiáng)了抗干擾的能力，提高測(cè)量精度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，伺服加速度 測(cè)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(dòng)測(cè)量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。

　　加速度傳感器的工作原理

　　線加速度計(jì)的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測(cè)量F就可以了。怎么測(cè)量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號(hào)傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

　　現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價(jià)、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興的微機(jī)械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動(dòng)快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價(jià)格比很高?？梢灶A(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，它將在加速度傳感器市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。

　　微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。

　　壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號(hào)。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)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(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(zhǎng)，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)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(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。

　　壓電式加速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在兩塊表面鍍銀的壓電晶片（石英晶體或壓電 陶瓷）間夾1片金屬薄片，并引出輸出信號(hào)的引線。在壓電晶片上放置1塊質(zhì)量塊，并用硬彈 簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓縮載荷。靜態(tài)預(yù)載荷的大小應(yīng)遠(yuǎn)大于傳感器在振動(dòng)、沖擊測(cè)試中可能 承受的最大動(dòng)應(yīng)力。這樣，當(dāng)傳感器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力 增加；反之，當(dāng)傳感器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電元件的壓應(yīng)力減小，從而輸出與加速度成正比例的電 信號(hào)。

　　傳感器整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座上，并用金屬殼體加以封罩。為了隔離試件的任何應(yīng)變 傳遞到壓電元件上去，基座尺寸較大。測(cè)試時(shí)傳感器的基座與測(cè)試件剛性連接。當(dāng)測(cè)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的諧振頻率時(shí)，傳感器輸出電荷（或電壓）與測(cè)試件的加速度成正比，經(jīng) 電荷放大器或電壓放大器即可測(cè)出加速度。

　　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(cè)量電橋，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(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(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測(cè)量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測(cè)量，到直流高靈敏度的低頻測(cè)量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測(cè)量頻率范圍也可從直流信號(hào)到具有剛度高，測(cè)量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。超小型化的設(shè)計(jì)也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性，但對(duì)某個(gè)特定設(shè)計(jì)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(diǎn)是受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價(jià)格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價(jià)具有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，但對(duì)特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。

　　電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計(jì)與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)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(hào)源，因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過(guò)后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)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。

　　加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車(chē)制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。

　　目前，大部分設(shè)備都提供了可以檢測(cè)各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設(shè)備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x，y，z軸代表方向如圖）的特性來(lái)分析。分別用以檢測(cè)人步行中三個(gè)方向的加速度變化。

　　用戶在水平步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動(dòng)作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢(shì)，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增加。

　　反映到圖表中，可以看到，在步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)正弦曲線，而且在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過(guò)對(duì)軌跡的峰值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。

　　因?yàn)橛脩粼谶\(yùn)動(dòng)中可能用手平持設(shè)備，或者將設(shè)備置于口袋中。所以，設(shè)備的放置方向不定。為此，通過(guò)計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度，我們可以獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。

　　第二步是峰值檢測(cè)，我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則舍棄。通過(guò)對(duì)峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行的步伐。

　　最后，就是去干擾。手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，或是我們俗稱的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶想通過(guò)短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來(lái)模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值，對(duì)于這種干擾，我們可以通過(guò)給檢測(cè)加上閥值和步頻判斷來(lái)過(guò)濾。

　　加速度傳感器的結(jié)構(gòu)

　　應(yīng)變式傳感器加速度測(cè)試原理如圖1所示，它通過(guò)測(cè)試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關(guān)系。

　　1. 壓電效應(yīng)及壓電材料

　　圖2表示晶體切片在z軸和y軸方向受壓力和拉力時(shí)電荷產(chǎn)生方向的情況。

　　2. 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)及特性

　　壓電傳感器一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成，由于壓電晶片有電荷極性，因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種（如圖3所示）。

　　3. 壓電傳感器的應(yīng)用

　　壓電加速度測(cè)試傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示