加速度传感器.docx

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加速度传感器

加速度传感器

加速度传感器

一、简介

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。

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、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

二、分类

压电式

压电式加速度传感器又称压电加速度计。

它也属于惯性式传感器。

压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压阻式

基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

5、GPS导航系统死角的补偿

GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位的。

在一些特殊的场合和地貌，如遂道、高楼林立、丛林地带，GPS信号会变弱甚至完全失去，这也就是所谓的死角。

而通过加装加速度传感器及以前我们所通用的惯性导航，便可以进行系统死区的测量。

对加速度传感器进行一次积分，就变成了单位时间里的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。

6、计步器功能

加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动，人在走动的时候会产生一定规律性的振动，而加速度传感器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步所走的步数，从而计算出人所移动的位移。

并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。

7、防手抖功能

用加速度传感器检测手持设备的振动/晃动幅度，当振动/晃动幅度过大时锁住照相快门，使所拍摄的图像永远是清晰的。

8、闪信功能

通过挥动手持设备实现在空中显示文字，用户可以自己编写显示的文字。

这个闪信功能是利用人们的视觉残留现象，用加速度传感器检测挥动的周期，实现所显示文字的准确定位。

9、硬盘保护

利用加速度传感器检测自由落体状态，从而对迷你硬盘实施必要的保护。

大家知道，硬盘在读取数据时，磁头与碟片之间的间距很小，因此，外界的轻微振动就会对硬盘产生很坏的后果，使数据丢失。

而利用加速度传感器可以检测自由落体状态。

当检测到自由落体状态时，让磁头复位，以减少硬盘的受损程度。

10、设备或终端姿态检测

加速度传感器和陀螺仪通常称为惯性传感器，常用于各种设备或终端中实现姿态检测，运动检测等，也就很适合玩体感游戏的人群。

加速度传感器利用重力加速度，可以用于检测设备的倾斜角度，但是它会受到运动加速度的影响，使倾角测量不够准确，所以通常需利用陀螺仪和磁传感器补偿。

同时磁传感器测量方位角时，也是利用地磁场，当系统中电流变化或周围有导磁材料时，以及当设备倾斜时，测量出的方位角也不准确，这时需要用加速度传感器（倾角传感器）和陀螺仪进行补偿。

11、智能产品

加速度传感器在微信功能中的创新功能突破了电子产品的千遍一律，这个功能的实现来源传感器的方向、加速表、光线、磁场、临近性、温度等参数的特性。

这个原理是手机里面集成的加速度传感器，它能够分别测量X、Y、Z三个方面的加速度值，X方向值的大小代表手机水平移动，Y方向值的大小代表手机垂直移动，Z方向值的大小代表手机的空间垂直方向，天空的方向为正，地球的方向为负，然后把相关的加速度值传输给操作系统，通过判断其大小变化，就能知道同时玩微信的朋友。

三、技术指标

1、灵敏度方面的技术指标：

对于一个仪器来说，一般都是灵敏度越高越好的，因为越灵敏，对周围环境发生的加速度的变化就越容易感受到，加速度变化大，很自然地，输出的电压的变化相应地也变大，这样测量就比较容易方便，而测量出来的数据也会比较精确的。

2、带宽方面的技术指标：

带宽指的的是传感器可以测量的有效的频带，比如，一个传感器有上百HZ带宽的就可以测量振动了；一个具有五十HZ带宽的传感器就可以有效测量倾角了。

3、量程方面的技术指标：

测量不一样的事物的运动所需要的量程都是不一样的，要根据实际情况来衡量。

解析手机上的传感器

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。

加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。

加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。

因此其的范围比重力感应器要大，但是一般在手机被提到的加速度感应器时，其实就是指重力感应器，因此两者可以看做是等价的。

方向感应器

手机方向传感器是指，安装在手机上用以检测手机本身处于何种方向状态的部件，而不是通常理解的指南针的功能。

手机方向检测功能可以检测手机处于正竖、倒竖、左横、右横，仰、俯状态。

具有方向检测功能的手机具有使用更方便、更具人性化的特点。

例如，手机旋转后，屏幕图像可以自动跟着旋转并切换长宽比例，文字或菜单也可以同时旋转，使你阅读方便;听MP3时。

可能会有人说：

这个跟那个重力感应器是一样的？

这个两者是不一样的，方向感应器或者叫应用角速度传感器比较合适，一般手机的上的方向感应器是感应水平面上的方位角、旋转角和倾斜角的。

这个如果你可能觉得有点理论的话，举个例子吧。

有方向感应器的能很好的玩都市赛车游戏。

而只有重力感应器也能玩，但是，结果很令人纠结。

为了得到高度真实的试验数据，使用者应当全面地了解所用仪器的工作特性，这些特性是怎样互相影响的，整个环境对这些特性是如何影响的，以及加速度计对被测运动是如何影响的。

加速度计是关键的测量元件，有多种设计型式供选用。

每种设计型式都为某些特定用处设计的，目的是为获得高保真的测量数据。

工程师们应认真地分析测量的要求，选用最合适的加速度计，通常要在灵敏度，重量和频响范围三者之间比较，做出最合适的选择。

传感器主要工作特性分为有效响应与乱真响应两类。

●有效响应：

在传感器灵敏轴方向上，由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。

这种响应是正确使用传感器进行测量，取得可靠数据所期望的。

●乱真响应：

在使用传感器测量机械振动或冲击时，由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。

这种响应是干扰正确测量的，是不期望的。

有效响应主要有：

灵敏度；幅频响应和相频响应；非线性度。

乱真响应主要有：

温度响应；瞬变温度灵敏度；横向灵敏度；旋转运动灵敏度；基座应变灵敏度；磁灵敏度；安装力矩灵敏度；对特殊环境的响应。

●灵敏度：

指定的输出量与指定的输入量之比。

●参考灵敏度：

在给定的参考频率和参考幅值下传感器的灵敏度值。

传感器灵敏度越高，测量系统的信噪比就越大，系统就不易受静电干扰或电磁场的影响。

对某种具体的加速度计设计型式来说，灵敏度越高，则传感器越重，共振频率也越低。

因此选用多大灵敏度受其重量和频率响应的制约。

一般情况下，传感器的灵敏度包括幅值与相位两个信息，是随频率变化的复数量。

●幅频响应和相频响应

在输入的机械振动量值不变的情况下，传感器输出电量的幅值随振动频率的变化，称为幅频响应。

而输出电量的相位随振动频率的变化，称为相频响应。

在工作频段内连续地改变振动频率，且维持输入的机械振动量幅值不变，同时观测传感器的输出，便可测定幅频响应。

若同时测量传感器输出电量与输入机械振动量间的相位差，则又可测定相频响应。

一般情况下，只要求知道幅频响应。

在接近传感器上、下限频率处使用传感器，或有要求时，则必须知道相频响应。

●非线性度

在给定的频率和幅值范围内，输出量与输入量成正比，称为线性变化。

实际传感器的校准结果与线性变化偏离的程度，称为该传感器的非线性度。

在由最小值到最大值的传感器动态范围内，逐渐增大输入的机械振动量，同时测量传感器输出幅值的变化，便可测定传感器的输出值与线性输出值的偏差量。

在使用正弦振动发生器进行测定时，可在传感器的工作频率范围内选定几个频率进行，以覆盖传感器整个动态范围。

一般在传感器动态范围的上限附近传感器的输出值与线性值的偏差量最大。

所允许的偏差量取决于具体测量的要求。

对压电加速度计，一般用在一定的加速度范围内，其灵敏度增加的百分数来表示非线性度。

压阻式，变电容式加速度计在其动态范围内线性度较好，它代表了非线性、滞后和非重复性的综合值。

●质量负载的影响

如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰减。

为此在诸如印刷电路板等又薄又轻的片状构件上测振时，为了得到准确的数据必须采用重量轻的加速度计。

如果被测物件呈现单自由度的响应，则加速度计将使其共振频率下降。

在所有的模态试验中必须使用微型加速度计。

●低频响应

使用压电加速度计时，所用放大器低频截止频率多为2－5Hz，目的是以此来剔除许多压电传感器的热释电输出。

像隔离剪切式设计等隔离性好的设计型式可用在较低的频率。

压阻式和变电容式加速度计则具有零频响应。

●高频响应

加速度计的高频响应随加速度计的机械性能和安装方法而变。

在安装牢固时，大多数加速度计呈现无阻尼单自由度系统的频响特性。

以±5%为要求的话，其频率响应约平整到安装共振频率的五分之一。

如果加适当的修正因数，则可在更高的频率上得到有用的数据。

●温度响应

传感器灵敏度随温度的变化，称为传感器的温度响应。

用测试温度下的灵敏度与室温下的灵敏度之差相对于室温灵敏度的百分数来表示。

常用压电加速度计的温度范围为零度以下至+177°C或+260°C。

某些特定型号，低温可达绝对零度，高温可达760°C。

很多种压电加速度计设计型式在很宽的温度范围内的温度响应很平。

压阻式、变电容式加速度计的典型温度范围为－18°C～+93°C。

●压电传感器的瞬变温度灵敏度

具有热释电效应的传感器在瞬变温度作用下将产生电输出，该输出的最大值与传感器灵敏度和温度改变量乘积的比值称为瞬变温度灵敏度。

在温度产生变化时，压电元件会产生输出信号，这称之为热释电效应。

试件或气流温度的突变会引起这种温度变化。

大多数情况下这种效应是很低频的，只有信号适调仪的响应在1赫以下，才能检测到。

如果信号适调仪有级间高通滤波器，则应特别注意，热释电信号可能会使放大器饱和，使它短时间不工作。

基座隔离式，剪切式，隔离剪切式设计的热释电效应较小。

压阻式，变电容式的这种效应是可以忽略的。

●横向灵敏度

对于单向测量来说，要求加速度计不得对被测物体的横向运动产生任何响应是十分必要的。

但加速度计不可能是完美无缺的，总是有一定的横向灵敏度，它与横向振动的方向有关，其横向灵敏度一般为轴向灵敏度的1～5%。

恩德福克对每个加速度计进行横向灵敏度校准并给出其最大值。

●横向灵敏度比

在与传感器灵敏轴垂直的方向上受到激励时传感器的灵敏度，称为横向灵敏度。

横向灵敏度与沿灵敏轴方向上的灵敏度之比，称为横向灵敏度比。

●旋转运动灵敏度

某些直线振动传感器对旋转运动是敏感的。

在进行试验时必须小心。

以免造成测量误差。

●基座应变灵敏度

在传感器基座产生应变时会引起不应有的信号输出，该输出值与传感器灵敏度和应变值乘积的比值，称为基座应变灵敏度。

在某些试验中，加速度计安装处可能会存在动态弯曲、扭转、拉伸等。

由于与应变区紧密接触，加速度计底座也会发生应变。

部分应变会传给敏感元件，从而产生与振动运动无关的输出信号。

剪切式设计的加速度计要比压缩式的对基座应变的敏感程度小一个数量级。

应用绝缘安装螺钉或粘贴式转接件可以减小这种影响。

●磁灵敏度

传感器被置于磁场中会产生的不应有的信号输出，该输出值与传感器灵敏度和磁场的磁感应强度乘积的比值，称为传感器的磁灵敏度。

●安装力矩灵敏度

采用螺纹安装的传感器，安装力矩的变化会引起灵敏度发生变化。

施加1/2倍规定安装力矩或施加2倍规定安装力矩时的灵敏度与施加规定安装力矩时的灵敏度之最大差值，相对于施加规定安装力矩时灵敏度的比值的百分数，称为安装力矩灵敏度。

●特殊环境的响应

在强静电场、交变磁场、射频场、声场、电缆影响、核辐射等的特殊环境下，某些传感器会受到严重的影响，这些物理因素将引起传感器产生乱真响应。

四、安装注意事项

加速度传感器的自然频率由粘接的耦合程度决定，选择正确的粘合剂将是很重要的一步。

有些重要的问题是必须要考虑的是：

加速度传感器的重量，测试时的频率和带宽，测试时的振幅和温度。

还要考虑一些测试过程中会出现的问题：

正弦曲线的受限和测试中出现的随机振动。

通常，工程师和技师将会根据测试不同的需求选择合适的粘接剂来粘接加速度传感器。

　　加速度传感器的粘接安装用到的粘接剂一般有氰基丙烯酸盐,磁铁，双面胶带，石蜡，热粘接剂等，问题的关键在于如何能够有效的使用这些粘接剂。

在加速度传感器的粘接过程中，粘合剂的使用量对在加速度传感器能否达到良好的频率响应中起到很关键的作用。

在一块小的薄膜上尽可能的用最少的粘接剂粘接加速度传感器将会使得加速度传感器频率响应传送性最好。

在安装传感器之前要用碳氢化合溶液来清洁其要安装的表面，在安装传感器的时候通常要用到氰基丙烯酸盐,磁铁，双面胶带，石蜡，将其均匀地涂抹在粘接加速度计被粘表面，不能太厚或太薄，合适的厚度会起到良好的粘接效果。

热粘接剂的使用有很多的注意事项，最重要的是要注意安装过程中热粘接剂的凝固时间。

　　当然我们用粘接安装时需要注意的是在接近最大极限温度时最好不要用粘接剂，应该延迟一段时间再使用，否则会使粘接剂本身被损坏，导致粘接剂抗拉强度降低。

无论如何当我们要用粘接法安装加速度传感器时所有极限因素都要考虑进去。

同样，以上加速度传感器的安装只是针对大部分情况而言，一些特殊设备上测量加速度需要用到最合适的传感器安装方式。