一文讀懂不同加速度傳感器類型的比較

加速度是描述物體速度變化快慢的物理量，通過測(cè)量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。 ? 為了測(cè)量并計(jì)算這些物理量，便產(chǎn)生了加速度傳感器。

加速度傳感器 加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)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(gè)常量，比如g，也可以是變量。加速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。 ? 加速度傳感器可應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表；手柄振動(dòng)和搖晃、玩具、鼠標(biāo)；汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視；工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、地震檢測(cè)；鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析；高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察上。 ? ? 加速度傳感器的分類及原理 ? 根據(jù)牛頓第二定律：A（加速度）=F（力）/M(質(zhì)量) ? 只需測(cè)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(gè)力，就可以得到作用力與電流（電壓）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過這個(gè)簡(jiǎn)單的原理來設(shè)計(jì)加速度傳感器。 ? 所以，加速度傳感器的本質(zhì)是通過作用力造成傳感器內(nèi)部敏感部件發(fā)生變形，通過測(cè)量其變形并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，得到相應(yīng)的加速度信號(hào)。

加速度傳感器按工作原理又分為四種：

1、壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。 ? 某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。 ?

具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。

在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。

圖 ? 壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)

S是彈簧 M是質(zhì)量塊 B是基座 P是壓電元件 R是夾持環(huán)

圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測(cè)試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。

圖b為環(huán)形剪切型，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。 ? 圖c為三角剪切形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計(jì)，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。 ?

壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)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(hào)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(cè)量傳感器。

雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(zhǎng)，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)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(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。

2、壓阻式加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器（基于MEMS硅微加工技術(shù)），壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測(cè)量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化，引起測(cè)量電橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。

圖 ?壓阻式加速度傳感器原理圖 ?

壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結(jié)構(gòu)形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻響、量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。

在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會(huì)使懸臂梁上的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。

圖 ?雙臂梁結(jié)構(gòu) ? 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(shù)字電路中，廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測(cè)試儀器、設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。 ?

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(cè)量電橋，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。

現(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(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測(cè)量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測(cè)量，到直流高靈敏度的低頻測(cè)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(cè)量頻率范圍也可從直流信號(hào)到具有剛度高，測(cè)量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測(cè)量。超小型化的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性，但對(duì)某個(gè)特定設(shè)計(jì)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(bǔ)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(jìng)爭(zhēng)力，但對(duì)特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。

壓阻式加速度傳感器

3、電容式加速度傳感器

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。其中一個(gè)電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力（氣壓、液壓等）作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測(cè)量氣流（或液流）的振動(dòng)速度（或加速度），還可以進(jìn)一步測(cè)出壓力。

電容式加速度傳感器原理圖

電容式加速度傳感器，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測(cè)量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，輸出阻抗低，輸出電量與振動(dòng)加速度的關(guān)系式簡(jiǎn)單方便易于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)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(hào)源，因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)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。

電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)是對(duì)比較通用的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動(dòng)設(shè)備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)采用了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝。在大量生產(chǎn)時(shí)變得經(jīng)濟(jì)，從而保證了較低的成本。 　　 ? ? 4、伺服式加速度傳感器

當(dāng)被測(cè)振動(dòng)物體通過加速度計(jì)殼體有加速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊偏離靜平衡位置，位移傳感器檢測(cè)出位移信號(hào)，經(jīng)伺服放大器放大后輸出電流，該電流流過電磁線圈，從而在永久磁鐵的磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力，迫使質(zhì)量塊回到原來的靜平衡位置，即加速度計(jì)工作在閉環(huán)狀態(tài)，傳感器輸出與加速度計(jì)成一定比例的模擬信號(hào)，它與加速度值成正比關(guān)系。

伺服式加速度傳感器原理圖

伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)性 能好、動(dòng)態(tài)范圍大和線性度好等特點(diǎn)。其工作原理，傳感器的振動(dòng)系統(tǒng)由 "m-k”系統(tǒng)組成，與一般加速度計(jì)相同，但質(zhì)量m上還接著一個(gè)電磁線圈，當(dāng)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(cè)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(chǎng)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?zhàn)饔?，增?qiáng)了抗干擾的能力，提高測(cè)量精度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，伺服加速度 測(cè)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(dòng)測(cè)量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。

5、三軸加速度傳感器

也是基于加速度的基本原理去實(shí)現(xiàn)工作的，加速度是個(gè)空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須測(cè)得其三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來檢測(cè)加速度信號(hào)。

由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的，因此用三軸加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0-360度的傾角，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測(cè)量角度為60度的情況。

目前的三軸加速度傳感器/三軸加速度計(jì)大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。

三軸加速度傳感器具有體積小和重量(gm)輕特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，在航空航天、機(jī)器人、汽車和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

幾種加速度傳感器的比較

在加速度傳感器的實(shí)際使用中，還要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)品特性，要做合理的選型方案，以及產(chǎn)品的安裝維護(hù)等。

編輯：黃飛

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