一文讀懂加速度傳感器

加速度傳感器按工作原理又分為四種：

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(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)，則力的變化與被測加速度成正比。

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(shí)，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。

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(jì)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(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量零頻率的信號(hào)。

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(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)對加速度的測量。

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(huì)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。

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(dòng)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(jì)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(shí)壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號(hào)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(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)具有很大的市場競爭力，但對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。

壓阻式加速度傳感器

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(dòng)加速度的關(guān)系式簡單方便易于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

電容式加速度傳感器

當(dāng)被測振動(dòng)物體通過加速度計(jì)殼體有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊偏離靜平衡位置，位移傳感器檢測出位移信號(hào)，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(jì)工作在閉環(huán)狀態(tài)，傳感器輸出與加速度計(jì)成一定比例的模擬信號(hào)，它與加速度值成正比關(guān)系。

伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測試系統(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?zhàn)饔茫鰪?qiáng)了抗干擾的能力，提高測量精度，擴(kuò)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(dòng)測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。

也是基于加速度的基本原理去實(shí)現(xiàn)工作的，加速度是個(gè)空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須測得其三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)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(hào)。

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(shí)現(xiàn)雙軸正負(fù)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(jì)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(jìn)行采集。

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