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)，與速度和時間無關(guān)。只需測量作用力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力，就可以得到作用力與電流(電壓)的對應(yīng)關(guān)系，通過這個的原理來設(shè)計加速度傳感器。

　　多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是“對于不存在對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，這種由于機械力作用使介質(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特性。由于這個變形會產(chǎn)生電壓，只要計算出產(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)生某個介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。

01量程

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

02靈敏度

　　一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。

03帶寬

　　主要指傳感器可測量的有效頻帶。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對于需要進行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個具有上百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)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個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，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。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，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

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)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(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(shè)計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個特定設(shè)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是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價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)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。

　　電容式加速度計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，尤其是受溫度的影響比較?。坏蛔阒幈憩F(xiàn)在信號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源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)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。

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)測試系統(tǒng)，具有動態(tài)性能好、動態(tài)范圍大和線性度好等特點。其工作原理，傳感器的振動系統(tǒng)由“m-k”系統(tǒng)組成，與一般加速度計相同，但質(zhì)量m上還接著一個電磁線圈，當(dāng)基座上有加速度輸入時，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(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，在高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。

01模擬輸出/數(shù)字輸出

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

02測量軸數(shù)量

　　對于多數(shù)項目來說，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會適合一點。

03最大測量值

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

04靈敏度

　　一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。

05帶寬

　　這里的帶寬實際上指的是刷新率。也就是說每秒鐘，傳感器會產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對于需要進行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個具有上百HZ帶寬的傳感器。

06電阻/緩存機制

　　對于有些微控制器來說，要進行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控制板上無法正常工作，所以建議在購買傳感器前，仔細閱讀控制器手冊，確保傳感器能夠正常工作。