加速度傳感器

　　加速度：(Acceleration)是速度變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值(△V/△t)，是描述物體速度改變快慢的物理量，通常用a表示

a=F/m

　　加速度只和施加在物體上合力F，和物體的質(zhì)量有關(guān)，與速度和時(shí)間無(wú)關(guān)。只需測(cè)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(gè)力，就可以得到作用力與電流(電壓)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)這個(gè)的原理來(lái)設(shè)計(jì)加速度傳感器。

　　多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來(lái)工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是“對(duì)于不存在對(duì)稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場(chǎng)，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)”。

　　一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)、電容效應(yīng)、熱氣泡效應(yīng)諧振式、隧穿式等，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

01量程

　　比如測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)只需幾十個(gè)g量程，但是測(cè)量武器系統(tǒng)的侵徹指標(biāo)，就需要傳感器的量程達(dá)10萬(wàn)g甚至更大。

02靈敏度

　　一般來(lái)說(shuō)，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對(duì)一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測(cè)量，從而獲得更精確的測(cè)量值。

03帶寬

　　主要指?jìng)鞲衅骺蓽y(cè)量的有效頻帶。對(duì)于一般只要測(cè)量?jī)A角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對(duì)于需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能，比如振動(dòng)，你會(huì)需要一個(gè)具有上百HZ帶寬的傳感器。

01壓電式加速度傳感器

　　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)。

02壓阻式加速度傳感器

　　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。

03電容式加速度傳感器

　　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。

04伺服式加速度傳感器

　　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?，增?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。

01模擬輸出/數(shù)字輸出

　　這個(gè)是最先需要考慮的，這個(gè)取決于系統(tǒng)中和加速度傳感器之間的接口。

02測(cè)量軸數(shù)量

　　對(duì)于多數(shù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對(duì)于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會(huì)適合一點(diǎn)。

03最大測(cè)量值

　　如果你只要測(cè)量機(jī)器人相對(duì)于地面的傾角，那一個(gè)±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測(cè)量機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機(jī)器人會(huì)有比如突然啟動(dòng)或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個(gè)±5g的傳感器。

04靈敏度

　　一般來(lái)說(shuō)，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對(duì)一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測(cè)量，從而獲得更精確的測(cè)量值。

05帶寬

　　這里的帶寬實(shí)際上指的是刷新率。也就是說(shuō)每秒鐘，傳感器會(huì)產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對(duì)于一般只要測(cè)量?jī)A角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對(duì)于需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能，比如振動(dòng)，你會(huì)需要一個(gè)具有上百HZ帶寬的傳感器。

06電阻/緩存機(jī)制

　　對(duì)于有些微控制器來(lái)說(shuō)，要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，其連接的傳感器阻值必須小于10kΩ。比如加速度傳感器的阻值為32kΩ，在PIC和AVR控制板上無(wú)法正常工作，所以建議在購(gòu)買傳感器前，仔細(xì)閱讀控制器手冊(cè)，確保傳感器能夠正常工作。