一文读懂加速度传感器(必须收藏)

传感器技术 2020-05-27
加速度是描述物体速度变化快慢的物理量,通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。

为了测量并计算这些物理量,便产生了加速度传感器。


加速度传感器
 
加速度传感器是一种能够测量加速力,将加速度转换为电信号的电子设备。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。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)的改进的。另一种就是线加速度计。

加速度传感器可应用在工业控制、仪器仪表;手柄振动和摇晃、玩具、鼠标;汽车制动启动检测、报警系统;结构物、环境监视;工程测振、地质勘探、地震检测;铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

 
加速度传感器的分类及原理
 
根据牛顿第二定律:A(加速度)=F(力)/M(质量)

只需测量作用力F就可以得到已知质量物体的加速度。利用电磁力平衡这个力,就可以得到作用力与电流(电压)的对应关系,通过这个简单的原理来设计加速度传感器。

所以,加速度传感器的本质是通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形,通过测量其变形并用相关电路转化成电压输出,得到相应的加速度信号。

加速度传感器按工作原理又分为四种:


 
1、压电式加速度传感器




压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。

某些晶体在一定方向上受力变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应”。

具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。



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。


图   压电式加速度计的结构


S是弹簧 M是质量块 B是基座 P是压电元件 R是夹持环

  

图a是中央安装压缩型,压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上,支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时,如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外,测试对象和环境温度变化将影响压电元件,并使预紧力发生变化,易引起温度漂移。


图b为环形剪切型,压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时,压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用,有较高的共振频率和良好的线性。

图c为三角剪切形,结构简单,能做成极小型、高共振频率的加速度计,环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软,因此最高工作温度受到限制。

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是被最为广泛使用的振动测量传感器。


虽然压电式加速度传感器的结构简单,商业化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。


 
2、压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器(基于MEMS硅微加工技术),压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块,质量块由悬臂梁支撑,并在悬臂梁上制作电阻,连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动,悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化,引起测量电桥输出电压变化,以此实现对加速度的测量。


图  压阻式加速度传感器原理图

压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种,已有悬臂梁、双臂梁、4梁和双岛-5梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下,使得悬臂梁上的应力较大,提高传感器的输出灵敏度。


在大加速度下,质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力,变形过大,致使悬臂梁断裂。为此高gn值加速度拟采用质量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式,如图所示。


图  双臂梁结构

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。

应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥,其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。


现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。


同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高,测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性,但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。


压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大,实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面,大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力,但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。


压阻式加速度传感器


 
3、电容式加速度传感器
电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。其中一个电极是固定的,另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移,使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度),还可以进一步测出压力。


电容式加速度传感器原理图


电容式加速度传感器,具有电路结构简单,频率范围宽约为0~450Hz,线性度小于1%,灵敏度高,输出稳定,温度漂移小,测量误差小,稳态响应,输出阻抗低,输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点,具有较高的实际应用价值。


但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,受电缆的电容影响,以及电容传感器本身是高阻抗信号源,因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量,其通用性不如压电式加速度传感器,且成本也比压电式加速度传感器高得多。


电容式加速度传感器


电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代,如安全气囊,手机移动设备等。电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统(MEMS)工艺。在大量生产时变得经济,从而保证了较低的成本。
    
 
4、伺服式加速度传感器

当被测振动物体通过加速度计壳体有加速度输入时,质量块偏离静平衡位置,位移传感器检测出位移信号,经伺服放大器放大后输出电流,该电流流过电磁线圈,从而在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力,迫使质量块回到原来的静平衡位置,即加速度计工作在闭环状态,传感器输出与加速度计成一定比例的模拟信号,它与加速度值成正比关系。


伺服式加速度传感器原理图


伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统,具有动态性 能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理,传感器的振动系统由 "m-k”系统组成,与一般加速度计相同,但质量m上还接着一个电磁线圈,当基座上有 加速度输入时,质量块偏离平衡位置,该位移大小由位移传感器检测出来,经伺服放大器 放大后转换为电流输出,该电流流过电磁线圈,在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力,力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上,所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。


由于有反馈作用,增强了抗干扰的能力,提高测量精度,扩大了测量范围,伺服加速度 测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中,在高精度的振动测量和标定中也有应用。


 
5、三轴加速度传感器

也是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。


由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的,因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角,通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。


目前的三轴加速度传感器/三轴加速度计大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化,通过相应的放大和滤波电路进行采集。


三轴加速度传感器具有体积小和重量(gm)轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质,在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。


 
几种加速度传感器的比较


在加速度传感器的实际使用中,还要根据不同的应用场景和产品特性,要做合理的选型方案,以及产品的安装维护等,我们将在后续的篇幅中为大家介绍。


- END -



  




制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 


《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。



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