加速度傳感器的原理
線性加速度傳感器屬於不需要參照靜止坐標系的慣性傳感器類。它們被連接到移動平臺。 名稱中的「慣性」是指在運動中需具有足夠大的慣性。在導航設備中,加速度傳感器與陀螺儀配合使用,通常包含3個正交的速率陀螺儀和3個正交的加速度傳感器,分別測量角速度和線加速度。通過處理來自這些裝置的信號,就可以跟蹤運動物體的位置和方向。
加速度傳感器被用於測量物體受到包括重力在內的外力所產生的加速度。雖然重力通常是一個指向質量塊重心的恆力,但其他力可以在一個寬的幅度和頻率範圍內變化大小和方向。 因此,典型的加速度傳感器應可以響應於各種形式的加速度———從勻速到緩慢移動再到強衝擊和振動。
從牛頓第二定律可知,定義加速度矢量為a=F/m,式中,F為力矢量;m為受引起加速度的力作用的物體質量(標量值)。
因此,質量、加速度和力都互相聯繫。 加速度的方向與力的方向相同。上式表明,為了測量加速度,我們需要提供已知質量 m並測量由該質量施加在力傳感器上力的大小 F。 力傳感器是加速度傳感器的關鍵部件, 其包括兩個零部 件: 一個在力的作用下變形的彈簧和一個用於確定變形量的變形傳感器。
轉換理論與特性
單軸加速度傳感器可定義為一個由質量物體(有時稱為質量塊或激振質量塊)、彈簧狀支撐系統、具有阻尼特性的框架結構(見下圖),以及位移傳感器組成的單自由度裝置。 為了製造一個功能加速度傳感器,其外殼需連接到運動平臺。
質量塊m由壓縮彈簧支撐,該彈簧允許質量塊上下運動。接下來,質量塊連接到另外兩個部件:阻尼器和位移傳感器。阻尼器減慢質量塊運動速度,而位移傳感器確定質量塊相對於空檔(無加速度)時的位置。
將加速度傳感器用於特殊應用時, 必須回答下列問題:
1) 振動或線性加速度的期望幅值是多少?
2) 工作溫度是多少? 環境溫度的變化有多快?
3) 期望的頻率範圍是多少?
4) 所需線性度和精度是多少?
5) 最大容許尺寸是多少?
6) 可以提供何種類型的電源?
7) 是否應用於腐蝕性強或高溼度環境?
8) 預期過載有多大?
9) 是否應用於強聲場、 電磁場或靜電場環境?
10) 是否機械接地?