加速度傳感器的技術指標與應用,壓電式加速度傳感器的原理與結構

　　加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量。加速度計有兩種：一種是角加速度計，是由陀螺儀（角速度傳感器）改進的。另一種就是線加速度計。

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　　加速度傳感器，包括由矽膜片、上蓋、下蓋，膜片處於上蓋、下蓋之間，鍵合在一起；一維或二維納米材料、金電極和引線分布在膜片上，並採用壓焊工藝引出導線；工業現場測振傳感器，主要是壓電式加速度傳感器。其工作原理主要利於壓電敏感元件的壓電效應得到與振動或者壓力成正比的電荷量或者電壓量。目前工業現場典型採用IEPE型加速度傳感器，及內置IC電路壓電加速度傳感器，傳感器輸出與振動量正正比的電壓信號。

　　

　　加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力也就是當物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀改進過來的。另一種就是加速度傳感器。它也可以按測量軸分為單軸、雙軸和三軸加速度傳感器。現在，加速度傳感器廣泛應用於遊戲控制、手柄振動和搖晃、汽車制動啟動檢測、地震檢測、工程測振、地質勘探、振動測試與分析以及安全保衛振動偵察等多種領域。下面就舉例幾個例子，更好的認識加速度傳感器。遊戲控制加速度傳感器可以檢測上下左右的傾角的變化，因此通過前後傾斜手持設備來實現對遊戲中物體的前後左右的方向控制，就變得很簡單。

　　加速度傳感器的技術指標

　　1、靈敏度方面的技術指標：對於一個儀器來說，一般都是靈敏度越高越好的，因為越靈敏，對周圍環境發生的加速度的變化就越容易感受到，加速度變化大，很自然地，輸出的電壓的變化相應地也變大，這樣測量就比較容易方便，而測量出來的數據也會比較精確的。

　　2、帶寬方面的技術指標：帶寬指的的是傳感器可以測量的有效的頻帶，比如，一個傳感器有上百HZ帶寬的就可以測量振動了；一個具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測量傾角了。

　　3、量程方面的技術指標：測量不一樣的事物的運動所需要的量程都是不一樣的，要根據實際情況來衡量。

　　

　　解析手機上的傳感器

　　加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。因此其的範圍比重力感應器要大，但是一般在手機被提到的加速度感應器時，其實就是指重力感應器，因此兩者可以看做是等價的。

　　方向感應器

　　手機方向傳感器是指，安裝在手機上用以檢測手機本身處於何種方向狀態的部件，而不是通常理解的指南針的功能。

　　手機方向檢測功能可以檢測手機處於正豎、倒豎、左橫、右橫，仰、俯狀態。具有方向檢測功能的手機具有使用更方便、更具人性化的特點。例如，手機旋轉後，屏幕圖像可以自動跟著旋轉並切換長寬比例，文字或菜單也可以同時旋轉，使你閱讀方便;聽MP3時。可能會有人說：這個跟那個重力感應器是一樣的？

　　這個兩者是不一樣的，方向感應器或者叫應用角速度傳感器比較合適，一般手機的上的方向感應器是感應水平面上的方位角、旋轉角和傾斜角的。這個如果你可能覺得有點理論的話，舉個例子吧。有方向感應器的能很好的玩都市賽車遊戲。而只有重力感應器也能玩，但是，結果很令人糾結。

　　為了得到高度真實的試驗數據，使用者應當全面地了解所用儀器的工作特性，這些特性是怎樣互相影響的，整個環境對這些特性是如何影響的，以及加速度計對被測運動是如何影響的。

　　加速度計是關鍵的測量元件，有多種設計型式供選用。每種設計型式都為某些特定用處設計的，目的是為獲得高保真的測量數據。

　　工程師們應認真地分析測量的要求，選用最合適的加速度計，通常要在靈敏度，重量和頻響範圍三者之間比較，做出最合適的選擇。

　　傳感器主要工作特性分為有效響應與亂真響應兩類。

　　●有效響應effecTIve response

　　在傳感器靈敏軸方向上，由輸入的機械振動或衝擊所引起的傳感器的響應。這種響應是正確使用傳感器進行測量，取得可靠數據所期望的。

　　●亂真響應spurious response

　　在使用傳感器測量機械振動或衝擊時，由同時存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應。這種響應是幹擾正確測量的，是不期望的。（見國家標準GB/T 13823.1-93）

　　有效響應主要有：

　　靈敏度；幅頻響應和相頻響應；非線性度。

　　亂真響應主要有：

　　溫度響應；瞬變溫度靈敏度；橫向靈敏度；旋轉運動靈敏度；基座應變靈敏度；磁靈敏度；安裝力矩靈敏度；對特殊環境的響應。（見國家標準GB/T 13823.1-93）

　　●靈敏度：（SensiTIvity）

　　指定的輸出量與指定的輸入量之比。

　　●參考靈敏度：（Reference SensiTIvity）

　　在給定的參考頻率和參考幅值下傳感器的靈敏度值。

　　傳感器靈敏度越高，測量系統的信噪比就越大，系統就不易受靜電幹擾或電磁場的影響。對某種具體的加速度計設計型式來說，靈敏度越高，則傳感器越重，共振頻率也越低。因此選用多大靈敏度受其重量和頻率響應的制約。

　　一般情況下，傳感器的靈敏度包括幅值與相位兩個信息，是隨頻率變化的複數量。

　　●幅頻響應和相頻響應

　　在輸入的機械振動量值不變的情況下，傳感器輸出電量的幅值隨振動頻率的變化，稱為幅頻響應。而輸出電量的相位隨振動頻率的變化，稱為相頻響應。

　　在工作頻段內連續地改變振動頻率，且維持輸入的機械振動量幅值不變，同時觀測傳感器的輸出，便可測定幅頻響應。若同時測量傳感器輸出電量與輸入機械振動量間的相位差，則又可測定相頻響應。

　　一般情況下，只要求知道幅頻響應。在接近傳感器上、下限頻率處使用傳感器，或有要求時，則必須知道相頻響應。

　　●非線性度

　　在給定的頻率和幅值範圍內，輸出量與輸入量成正比，稱為線性變化。實際傳感器的校準結果與線性變化偏離的程度，稱為該傳感器的非線性度。

　　在由最小值到最大值的傳感器動態範圍內，逐漸增大輸入的機械振動量，同時測量傳感器輸出幅值的變化，便可測定傳感器的輸出值與線性輸出值的偏差量。在使用正弦振動發生器進行測定時，可在傳感器的工作頻率範圍內選定幾個頻率進行，以覆蓋傳感器整個動態範圍。

　　一般在傳感器動態範圍的上限附近傳感器的輸出值與線性值的偏差量最大。所允許的偏差量取決於具體測量的要求。

　　對壓電加速度計，一般用在一定的加速度範圍內，其靈敏度增加的百分數來表示非線性度。壓阻式，變電容式加速度計在其動態範圍內線性度較好，它代表了非線性、滯後和非重複性的綜合值。

　　●質量負載的影響

　　如果加速度計的動態質量接近被測結構物的動態質量，則會使振動產生明顯的衰減。為此在諸如印刷電路板等又薄又輕的片狀構件上測振時，為了得到準確的數據必須採用重量輕的加速度計。如果被測物件呈現單自由度的響應，則加速度計將使其共振頻率下降。在所有的模態試驗中必須使用微型加速度計。

　　●低頻響應

　　使用壓電加速度計時，所用放大器低頻截止頻率多為2－5Hz，目的是以此來剔除許多壓電傳感器的熱釋電輸出。像隔離剪切式設計等隔離性好的設計型式可用在較低的頻率。壓阻式和變電容式加速度計則具有零頻響應。

　　●高頻響應

　　加速度計的高頻響應隨加速度計的機械性能和安裝方法而變。在安裝牢固時，大多數加速度計呈現無阻尼單自由度系統的頻響特性。以±5%為要求的話，其頻率響應約平整到安裝共振頻率的五分之一。如果加適當的修正因數，則可在更高的頻率上得到有用的數據。

　　●溫度響應

　　傳感器靈敏度隨溫度的變化，稱為傳感器的溫度響應。用測試溫度下的靈敏度與室溫下的靈敏度之差相對於室溫靈敏度的百分數來表示。

　　常用壓電加速度計的溫度範圍為零度以下至+177°C或+260°C。某些特定型號，低溫可達絕對零度，高溫可達760°C。很多種壓電加速度計設計型式在很寬的溫度範圍內的溫度響應很平。壓阻式、變電容式加速度計的典型溫度範圍為－18°C～+93°C。

　　●壓電傳感器的瞬變溫度靈敏度

　　具有熱釋電效應的傳感器在瞬變溫度作用下將產生電輸出，該輸出的最大值與傳感器靈敏度和溫度改變量乘積的比值稱為瞬變溫度靈敏度。

　　在溫度產生變化時，壓電元件會產生輸出信號，這稱之為熱釋電效應。試件或氣流溫度的突變會引起這種溫度變化。大多數情況下這種效應是很低頻的，只有信號適調儀的響應在1赫以下，才能檢測到。如果信號適調儀有級間高通濾波器，則應特別注意，熱釋電信號可能會使放大器飽和，使它短時間不工作。

　　基座隔離式，剪切式，隔離剪切式設計的熱釋電效應較小。壓阻式，變電容式的這種效應是可以忽略的。

　　●橫向靈敏度

　　對於單向測量來說，要求加速度計不得對被測物體的橫向運動產生任何響應是十分必要的。但加速度計不可能是完美無缺的，總是有一定的橫向靈敏度，它與橫向振動的方向有關，其橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的1～5%。恩德福克對每個加速度計進行橫向靈敏度校準並給出其最大值。

　　●橫向靈敏度比

　　在與傳感器靈敏軸垂直的方向上受到激勵時傳感器的靈敏度，稱為橫向靈敏度。橫向靈敏度與沿靈敏軸方向上的靈敏度之比，稱為橫向靈敏度比。

　　●旋轉運動靈敏度

　　某些直線振動傳感器對旋轉運動是敏感的。在進行試驗時必須小心。以免造成測量誤差。

　　●基座應變靈敏度

　　在傳感器基座產生應變時會引起不應有的信號輸出，該輸出值與傳感器靈敏度和應變值乘積的比值，稱為基座應變靈敏度。

　　在某些試驗中，加速度計安裝處可能會存在動態彎曲、扭轉、拉伸等。由於與應變區緊密接觸，加速度計底座也會發生應變。部分應變會傳給敏感元件，從而產生與振動運動無關的輸出信號。

　　剪切式設計的加速度計要比壓縮式的對基座應變的敏感程度小一個數量級。應用絕緣安裝螺釘或粘貼式轉接件可以減小這種影響。

　　●磁靈敏度

　　傳感器被置於磁場中會產生的不應有的信號輸出，該輸出值與傳感器靈敏度和磁場的磁感應強度乘積的比值，稱為傳感器的磁靈敏度。

　　●安裝力矩靈敏度

　　採用螺紋安裝的傳感器，安裝力矩的變化會引起靈敏度發生變化。施加1/2倍規定安裝力矩或施加2倍規定安裝力矩時的靈敏度與施加規定安裝力矩時的靈敏度之最大差值，相對於施加規定安裝力矩時靈敏度的比值的百分數，稱為安裝力矩靈敏度。

　　●特殊環境的響應

　　在強靜電場、交變磁場、射頻場、聲場、電纜影響、核輻射等的特殊環境下，某些傳感器會受到嚴重的影響，這些物理因素將引起傳感器產生亂真響應。

　　

　　壓電式加速度傳感器的原理結構

　　壓電式加速度傳感器，又稱壓電加速度計。它是利用壓電材料的壓電效應工作的。 所謂壓電效應，是指某些電介質，當它在一定方向上受到機械外力作用而變形時，其內部就會發生電極化，從而導致電介質的兩相對表面上出現大小相等、符號相反的電荷。當外力方向改變時，電荷的極性也跟著改玖其電荷量的大小與外力成正比。當外力去掉後，電介質又恢復不帶電狀態，這種現象稱為正壓電效應。反過來，當在電介質的極化方向上外加電場時，它就會產生變形，這種現象稱為逆壓電效應。壓電加速度計是利用正壓電效應工作的。

　　具有壓電效應的電介質稱為壓電材料。在自然界中，具有壓電效應的物質很多，但大多數共效應很微弱，只有少數如石英晶體、壓電陶瓷等才有較強的壓電效應。

　　壓電加速度計的結構型犬有壓縮型、剪切型和彎曲型三種，圖11—5為壓縮型加速度計結構示意圖。其敏感元件是壓電晶體片4，晶體片上壓一個質量塊3，用一個剛度較大的彈簧2對這個質量塊施加一個預緊力，並將它們綻在一個帶有厚的基座6的金屬外殼1內。當加速度計安裝在被測扳動物體上而隨之板動時，質量塊就產生一個正比于振動加速度的力作用在壓電晶體片上，根據正壓電效應，在晶體片兩相對的表川上就產生交變的電材，共大小與作用力成正比，田質量塊的質量固定不變，所以晶體片上的電荷與扳動加速度成正比。

　　

　　壓電加速度計只有體積小、質量輕、結構堅實、頻帶寬、靈敏度高、測量範圍寬等優點，因此應用最為廣泛。壓電加速度計的穩定性較好，在振動計量中，往往作為標準加速度計使用。

　　

　　圖6 - 14是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主 要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整 個部件裝在外殼內，並由螺栓加以固定。質量塊一般由體 積質量較大的材料（如鎢或重合金）製成。預壓彈簧的作用 是對質量塊加載，產生預壓力，以保證在作用力變化時，晶 片始終受到壓縮。整個組件都裝在基座上。為了防止被測 件的任何應變傳到壓電晶片上而產生假信號，基座一般要 求做得較厚。基座與被測物體剛性固定在一起。

　　當加速度傳感器和被測物一起受到衝擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，所以，在 壓電元件的兩個表面上產生交變電壓或電荷。當振動頻率遠低於傳感器的固有頻率時，傳感器 輸出的電壓或電荷與作用力成正比，從而可得知被測物體的加速度。

　　加速度傳感器的應用

　　通過測量由於重力引起的加速度，你可以計算出設備相對於水平面的傾斜角度。通過分析動態加速度，你可以分析出設備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發現光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，工程師們已經想出了很多方法獲得更多的有用的信息。

　　加速度傳感器可以幫助機器人了解它身處的環境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對於飛行類的機器人來說，對於控制姿態也是至關重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的程式設計師能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發動機的振動。

　　加速度傳感器可以測量牽引力產生的加速度。

　　案例

　　加速度傳感器應用於地震檢波器設計

　　地震檢波器是用於地質勘探和工程測量的專用傳感器，是一種將地面振動轉變為電信號的傳感器，能把地震波引起的地面震動轉換成電信號，經過模/數轉換器轉換成二進位數據、進行數據組織、存儲、運算處理。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備，典型應用在手機、筆記本電腦、步程計和運動檢測等。

　　加速度傳感器技術應用於車禍報警

　　在汽車工業高速發展的現代，汽車成為了人們出行主要的交通工具之一，但是因交通事故的傷亡數量也十分巨大。在信息化的現代利用高科技去挽救人的生命將會是重大研究的主題之一，基於加速度的車禍報警系統正是懷著這種設計理念，相信這種系統的推廣，會給汽車行業帶來更多的安全。

　　加速度傳感器應用於監測高壓導線舞動

　　目前國內對導線舞動監測多採用視頻圖像採集和運動加速度測量兩種主要技術方案。前者在野外高溫、高溼、嚴寒、濃霧、沙塵等天氣條件下，不僅對視頻設備的可靠性、穩定性要求很高，而且拍攝的視頻圖像的效果也會受到影響，在實際使用中只能作為輔助監測手段，無法定量分析導線運動參數；而採用加速度傳感器監測導線舞動情況，雖可定量分析輸電導線某一點上下振動和左右擺動的情況，但只能測出導線直線運動的振幅和頻率，而對於複雜的圓周運動，則無法準確測量。所以我們必須加快加速度傳感器的發展來適應諸如此類環境下進行應用。

　　具體

　　汽車安全

　　加速度傳感器主要用於汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面。

　　在安全應用中，加速度計的快速反應非常重要。安全氣囊應在什麼時候彈出要迅速確定，所以加速度計必須在瞬間做出反應。通過採用可迅速達到穩定狀態而不是振動不止的傳感器設計可以縮短器件的反應時間。其中，壓阻式加速度傳感器由於在汽車工業中的廣泛應用而發展最快。

　　遊戲控制

　　加速度傳感器可以檢測上下左右的傾角的變化，因此通過前後傾斜手持設備來實現對遊戲中物體的前後左右的方向控制，就變得很簡單。

　　圖像自動翻轉

　　用加速度傳感器檢測手持設備的旋轉動作及方向，實現所要顯示圖像的轉正。

　　電子指南針傾斜校正

　　磁傳感器是通過測量磁通量的大小來確定方向的。當磁傳感器發生傾斜時，通過磁傳感器的地磁通量將發生變化，從而使方向指向產生誤差。因此，如果不帶傾斜校正的電子指南針，需要用戶水平放置。而利用加速度傳感器可以測量傾角的這一原理，可以對電子指南針的傾斜進行補償。

　　GPS導航系統死角的補償

　　GPS系統是通過接收三顆呈120度分布的衛星信號來最終確定物體的方位的。在一些特殊的場合和地貌，如遂道、高樓林立、叢林地帶，GPS信號會變弱甚至完全失去，這也就是所謂的死角。而通過加裝加速度傳感器及以前我們所通用的慣性導航，便可以進行系統死區的測量。對加速度傳感器進行一次積分，就變成了單位時間裡的速度變化量，從而測出在死區內物體的移動。

　　計步器功能

　　加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動，人在走動的時候會產生一定規律性的振動，而加速度傳感器可以檢測振動的過零點，從而計算出人所走的步或跑步所走的步數，從而計算出人所移動的位移。並且利用一定的公式可以計算出卡路裡的消耗。

　　防手抖功能

　　用加速度傳感器檢測手持設備的振動/晃動幅度，當振動/晃動幅度過大時鎖住照相快門，使所拍攝的圖像永遠是清晰的。

　　閃信功能

　　通過揮動手持設備實現在空中顯示文字，用戶可以自己編寫顯示的文字。這個閃信功能是利用人們的視覺殘留現象，用加速度傳感器檢測揮動的周期，實現所顯示文字的準確定位。

　　硬碟保護

　　利用加速度傳感器檢測自由落體狀態，從而對迷你硬碟實施必要的保護。大家知道，硬碟在讀取數據時，磁頭與碟片之間的間距很小，因此，外界的輕微振動就會對硬碟產生很壞的後果，使數據丟失。而利用加速度傳感器可以檢測自由落體狀態。當檢測到自由落體狀態時，讓磁頭復位，以減少硬碟的受損程度。

　　設備或終端姿態檢測

　　加速度傳感器和陀螺儀通常稱為慣性傳感器，常用於各種設備或終端中實現姿態檢測，運動檢測等，也就很適合玩體感遊戲的人群。加速度傳感器利用重力加速度，可以用於檢測設備的傾斜角度，但是它會受到運動加速度的影響，使傾角測量不夠準確，所以通常需利用陀螺儀和磁傳感器補償。同時磁傳感器測量方位角時，也是利用地磁場，當系統中電流變化或周圍有導磁材料時，以及當設備傾斜時，測量出的方位角也不準確，這時需要用加速度傳感器（傾角傳感器）和陀螺儀進行補償。

　　智能產品

　　加速度傳感器在微信功能中的創新功能突破了電子產品的千遍一律，這個功能的實現來源傳感器的方向、加速表、光線、磁場、臨近性、溫度等參數的特性。這個原理是手機裡面集成的加速度傳感器，它能夠分別測量X、Y、Z三個方面的加速度值，X方向值的大小代表手機水平移動，Y方向值的大小代表手機垂直移動，Z方向值的大小代表手機的空間垂直方向，天空的方向為正，地球的方向為負，然後把相關的加速度值傳輸給作業系統，通過判斷其大小變化，就能知道同時玩微信的朋友。