加速度傳感器的分類(lèi)、工作原理與內部結構

　　加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過(guò)程中，通過(guò)對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據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(xiàn)分布在膜片上，并采用壓焊工藝引出導線(xiàn)；工業(yè)現場(chǎng)測振傳感器，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)現場(chǎng)典型采用IEPE型加速度傳感器，及內置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。

　　加速度傳感器的分類(lèi)

　　壓電式

　　壓電式加速度傳感器又稱(chēng)壓電加速度計。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，在加速度計受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動(dòng)頻率遠低于加速度計的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。

　　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字電路中，廣泛應用于汽車(chē)碰撞實(shí)驗、測試儀器、設備振動(dòng)監測等領(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/電容式加速度計是對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，手機移動(dòng)設備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計采用了微機電系統（MEMS）工藝，在大量生產(chǎn)時(shí)變得經(jīng)濟，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)測試系統，具有動(dòng)態(tài)性 能好、動(dòng)態(tài)范圍大和線(xiàn)性度好等特點(diǎn)。其工作原理，傳感器的振動(dòng)系統由 “m-k”系統組成，與一般加速度計相同，但質(zhì)量m上還接著(zhù)一個(gè)電磁線(xiàn)圈，當基座上有 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(lái)，經(jīng)伺服放大器 放大后轉換為電流輸出，該電流流過(guò)電磁線(xiàn)圈，在永久磁鐵的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁恢復力，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。由于有反饋作用，增強了抗干擾的能力，提高測量精度，擴大了測量范圍，伺服加速度 測量技術(shù)廣泛地應用于慣性導航和慣性制導系統中，在高精度的振動(dòng)測量和標定中也有應用。

　　加速度傳感器的工作原理

　　線(xiàn)加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對應于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗去標定這個(gè)比例系數就行了。當然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

　　現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、科學(xué)測量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩定的加速度傳感器。以傳統加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿(mǎn)足這些要求。于是應用新興的微機械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應運而生。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)現數字化和智能化。而且，由于微機械結構制作精確、重復性好、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。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、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構簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(cháng)，但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的同類(lèi)傳感器性能的實(shí)際參數以及其穩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。

　　壓電式加速傳感器的結構如圖所示。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，并引出輸出信號的引線(xiàn)。在壓電晶片上放置1塊質(zhì)量塊，并用硬彈 簧對壓電元件施加預壓縮載荷。靜態(tài)預載荷的大小應遠大于傳感器在振動(dòng)、沖擊測試中可能 承受的最大動(dòng)應力。這樣，當傳感器向上運動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應力 增加；反之，當傳感器向下運動(dòng)時(shí)，壓電元件的壓應力減小，從而輸出與加速度成正比例的電 信號。

　　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變 傳遞到壓電元件上去，基座尺寸較大。測試時(shí)傳感器的基座與測試件剛性連接。當測試件的振動(dòng)頻率遠低于傳感器的諧振頻率時(shí)，傳感器輸出電荷（或電壓）與測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出加速度。

　　應變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料制成電阻測量電橋，其結構動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統?，F代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設計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。超小型化的設計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計和應用具有很大靈活性，但對某個(gè)特定設計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)競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠高于壓電型加速度傳感器。

　　電容型加速度傳感器的結構形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統。當質(zhì)量受加速度作用運動(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。電容式加速度計與其它類(lèi)型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環(huán)境適應性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現在信號的輸入與輸出為非線(xiàn)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源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過(guò)后繼電路給于改善。在實(shí)際應用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，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，地震檢測，報警系統，玩具，結構物、環(huán)境監視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測試與分析；鼠標，高層建筑結構動(dòng)態(tài)特性和安全保衛振動(dòng)偵察上。

　　目前，大部分設備都提供了可以檢測各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設備為例，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。分別用以檢測人步行中三個(gè)方向的加速度變化。

　　用戶(hù)在水平步行運動(dòng)中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì )呈現周期性變化，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，之后繼續向前，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(xiàn)，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)對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計算用戶(hù)運動(dòng)的步數，還可依此進(jìn)一步估算用戶(hù)步行距離。

　　因為用戶(hù)在運動(dòng)中可能用手平持設備，或者將設備置于口袋中。所以，設備的放置方向不定。為此，通過(guò)計算三個(gè)加速度的矢量長(cháng)度，我們可以獲得一條步行運動(dòng)的正弦曲線(xiàn)軌跡。

　　第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長(cháng)度和運動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(cháng)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)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄。通過(guò)對峰值的次數累加，可得到用戶(hù)步行的步伐。

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

　　加速度傳感器的結構

　　應變式傳感器加速度測試原理如圖1所示，它通過(guò)測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. 壓電傳感器的結構及特性

　　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. 壓電傳感器的應用

　　壓電加速度測試傳感器的結構如圖4 所示