传感器原理与设计讨论项目作业加速度测量

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1、完成人:完成时间:传感器原理鸟殺针讨论项目作业加速度测量概述测量的必要性分析及发展趋势加速度是描述物体运动状态的重要物理量。大到火箭、导弹，小到智能手机。可以说，加速度传感器已经广泛应用于现代生活的方方面面。利用加速度传感器测得的加速度的可用于分析计算物体的运动状态，如多旋翼飞行器的姿态控制、代步平衡车的平衡控制、手机虚拟现实技术的实现等等。利用精密的加速度传感器与陀螺仪进行积分，可以实现惯性导航。惯性导航广泛运用于潜艇导航、导弹制导、无人机导航、航空航天等高端领域。利用加速度传感器还可以实现对振动信号的分析。通过对

2、异常频率信号的分析可为机械设备的故障诊断提供依据。可以说，加速度测量应用需求大，且越来越深入人民生产生活的方方面面。在导航、制导领域中的应用对加速度传感器测量结果的精确度要求极高。在FI常生活中所使用的手机、平衡车等产品屮，加速度传感器的尺寸小型化和低成本最为重要。在振动信号的分析屮，则要求传感器有良好的响应速度和高频特性。在这些多样的需求的驱使下，目前，各种类型的加速度传感器已经形成了完善的谱系。针对不同尺寸要求、精度要求、工作频率、工作环境得各种加速度传感器种类齐全，可以满足大部分用户的使用需求。口前，加速度传感

3、器有微型集成化、专业化等发展方向。微型加速度传感器常用于消费电子产品屮。大部分是利用MEMS微机电加个技术制造的压阻式、电容式、压电式传感器。这样的传感器可以整体封装在一片芯片内部。拥有完整的测量、补偿、AD转换电路或其他辅助处理电路。便于用户使用。微加速度传感器在测量精度等方面尚有一定的不足，高性能、低功耗的微机电加速度传感器是未來的发展趋势之一。图一MEMS加速度传感器芯片显微照片另一方面，高精度的加速度传感器需求也很广泛。在深井钻井、航空航天、国防军事等方面发挥着重要作用。例如，在钻井中使用的高精度加速度传感器

4、，对倾角的测量精度可以高达5角秒。高精度传感器主要采用电容式、压电式、伺服式工作原理。一些高性能的MEMS工艺制造的传感器也能达到很好的精度图二差动电容式三轴加速度传感器测量物体加速度的方法及系统加速度的测量方法包括：依据加速度定义，对速度求导得到加速度；对质量块的受力状态进行测量，利用牛顿第二定律测得加速度。在能够获得精确速度或位置信息的条件下，可以用第一种方法获得加速度。女山实验室测量滑块的加速度等。加速度传感器通常利用第二种方式工作。加速度传感器通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感

5、器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、磁电式、应变式、压阻式、压电式、伺服式等。图三加速度传感器原理示意图目前绝大多数加速度传感器均采用此原理工作。测量由惯性力引起的弹性元件形变来测量加速度。但是不同传感器所采用的机械结构和实现方式各有不同，但是都包括了质量、弹性和阻尼三个要素。有的传感器将质量块和弹性元件合为一体；有的利用弹性材料木身的阻尼特性而不需要单独设计阻尼装置；伺服式加速度计则是依靠磁场或电场力代替弹性元件和阻尼元

6、件,主动控制质量块运动，以准确测量加速度。由质量块、弹性元件和阻尼器构成的装置，对力的位移响应属于典型的二阶系统。而加速度传感器是依靠对位移（形变）的测量来获知加速度。所以，加速度传感器属于典型的二阶传感器。其对加速度的时间响应服从典型二阶系统响应函数。也具有一定的频率响应范围。当阻尼比较小时，系统还会于输入加速度信号产生谐振，影响输出性能。经过上述机械装置后，加速度信号被转化为位移（形变）。利用测量形变的方法，即可测得加速度值。根据位移（形变）测量原理不同，加速度传感器被分为电容式、磁电式、应变式、压阻式、压电式等

7、种类。如图四所示的应变式加速度传感器。弹性元件为应变梁，硅油构成了阻尼器。以应变片为转换元件。将应变梁的形变转化为应变片电阻的变换,再通过电桥电路转化成电压信号后输出，经过放大电路后就可得到可利用的电信号。图五所示，即为一种电桥测量电路。图3-30应变式加逸度传总器结构原理图1-质就块；2—应变梁；3—硅油（R1尼液）；4-旋变计;5—汩度补偿电阻；6—绝缘ftW;7—接线林；8—电缆;9一压线柱；10—壳体；11一保护块:图四应变式加速度传感器结构示意图+9.00V高精度A/D转换器图五电桥测量电路压电式加速度传感

8、器结构示意图如图所示，压电传感器利用一些各向异性晶体或非晶体材料的压电效应工作。在压电材料受压吋，晶格发生形变。其正负电荷中心发生偏移，从而产生相应的电极化强度。传感器的压电晶片的两端镀有电极，在晶片受压时产生相应的电荷。利用放犬电路对所输出的电荷或电压信号放人，即可得到可利用的输出信号。压电式传感器的弹性元件和敏感元件均为压电晶片。具有高频动