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加速度传感器是什么_常用加速度传感器有哪几种

发布日期:2020-10-30 19:32

  加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同,常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

  线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

  现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、乐橙。科学测量等领域,需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且,由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产,它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来,它将在加速度传感器市场中占主导地位。

  1、灵敏度方面的技术指标:对于一个仪器来说,一般都是灵敏度越高越好的,因为越灵敏,对周围环境发生的加速度的变化就越容易感受到,加速度变化大,很自然地,输出的电压的变化相应地也变大,这样测量就比较容易方便,而测量出来的数据也会比较精确的。

  2、带宽方面的技术指标:带宽指的的是传感器可以测量的有效的频带,比如,一个传感器有上百HZ带宽的就可以测量振动了;一个具有五十HZ带宽的传感器就可以有效测量倾角了。

  3、量程方面的技术指标:测量不一样的事物的运动所需要的量程都是不一样的,要根据实际情况来衡量。

  广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析以及安全保卫振动侦察等多种领域。下面就举例几个例子,更好的认识加速度传感器。

  游戏控制加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化,因此通过前后倾斜手持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制,就变得很简单。

  磁传感器是通过测量磁通量的大小来确定方向的。当磁传感器发生倾斜时,通过磁传感器的地磁通量将发生变化,从而使方向指向产生误差。因此,如果不带倾斜校正的电子指南针,需要用户水平放置。而利用加速度传感器可以测量倾角的这一原理,可以对电子指南针的倾斜进行补偿。

  GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位的。在一些特殊的场合和地貌,如遂道、高楼林立、丛林地带,GPS信号会变弱甚至完全失去,这也就是所谓的死角。而通过加装加速度传感器及以前我们所通用的惯性导航,便可以进行系统死区的测量。对加速度传感器进行一次积分,就变成了单位时间里的速度变化量,从而测出在死区内物体的移动。

  计步器功能加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动,人在走动的时候会产生一定规律性的振动,而加速度传感器可以检测振动的过零点,从而计算出人所走的步或跑步所走的步数,从而计算出人所移动的位移。并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。

  防手抖功能用加速度传感器检测手持设备的振动/晃动幅度,当振动/晃动幅度过大时锁住照相快门,使所拍摄的图像永远是清晰的。

  闪信功能通过挥动手持设备实现在空中显示文字,用户可以自己编写显示的文字。这个闪信功能是利用人们的视觉残留现象,用加速度传感器检测挥动的周期,实现所显示文字的准确定位。

  硬盘保护利用加速度传感器检测自由落体状态,从而对迷你硬盘实施必要的保护。大家知道,硬盘在读取数据时,磁头与碟片之间的间距很小,因此,外界的轻微振动就会对硬盘产生很坏的后果,使数据丢失。而利用加速度传感器可以检测自由落体状态。当检测到自由落体状态时,让磁头复位,以减少硬盘的受损程度。

  随着MEMS技术在传感器领域中的应用,加速度传感器的体积可以做得更小,性能反而做得更高,这大大促进了它在消费电子领域中的应用,每年的市场份额也在不断增加。

  压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性,来实现振动加速度的测量的,这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点,它最大的缺点是不能测量零频率信号。

  按敏感芯体材料分为压电晶体(一般为石英)和压电陶瓷两类。压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高,而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小,因此一般更常用的是压电陶瓷。

  按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。压缩式结构最简单,价格便宜,但是不能有效排除各种干扰;剪切式受干扰影响最小,目前最为常用,但是制造工艺要求较高,所以价格偏高;弯曲变形梁式比较少见,其结构能够产生较大的电荷输出信号,但是测量频率范围较低,受温度影响易产生漂移,因此不推荐使用。

  按信号输出的方式分为电荷输出式和低阻抗电压输出式(ICP)。电荷输出式直接输出高阻抗电荷信号,必须通过二次仪表转换成低阻抗电压读取,而高阻抗电荷信号较容易受干扰,所以对测试环境、连接线缆等的要求较高;而ICP型传感器内部安装了前置放大器,直接转换成电压信号输出,所以相对有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、能实现远距离测量等优点,目前正逐步取代电荷输出式传感器。

  压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号,这种传感器的频率测量范围和量程也很大,体积小重量轻,但是缺点也很明显,就是受温度影响较大,一般都需要进行温度补偿。

  电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容,当受加速度作用时,质量块与固定电极之间的间隙会发生变化,从而使电容值发生变化。它的优点很突出,灵敏度高、零频响应、受环境(尤其是温度)影响小等,缺点也同样突出,主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源,需后继电路给予改善。

  相比之下,压电式传感器应用更为广泛一些,压阻式也有一定程度的应用,而电容式主要专用于低频测量。

  作为一般的原则,灵敏度高的传感器量程范围小,反之灵敏度低的量程范围大,而且一般情况下,灵敏度越高,敏感芯体的质量块越大,其谐振频率也越低,如果谐振波叠加在被测信号上,会造成失真输出,因此选择时除了要注意在量程上保留足够的安全空间外,还要注意分析被测信号频率组成及传感器自身谐振频率。

  传感器的高、低截止频率与误差直接相关,允许的误差范围越大其频率范围越宽。一般来说,传感器高频响应取决于机械特性,而低频响应由传感器及其后继电路综合电参数决定,频率截止高的传感器必然是体积小重量轻,反之用于低频测量的一般都体积大重量重。

  现场环境中对传感器影响较大的是温度,而ICP传感器由于受供电电压和偏置电压的制约,在非室温条件中,传感器偏置电压很可能会不断缓慢漂移造成信号忽大忽小,所以一般非室温环境下不推荐使用ICP型传感器。(尤其注意ICP传感器使用中不要长时间手握,否则很容易造成此类现象)。

  加速度传感器使用中最常见的问题出在测量点的选择和连接方式,选择测量点的原则是在不影响试验件安装的情况下尽量靠近试验件或者试验件上某个最关心的点,由于振动夹具千差万别,如果只是简单把传感器连接在振动台面上的话,可能会造成试验件上的量值超标。

  连接方式上最佳方案是采用绝缘螺钉连接,有条件的话最好再涂上螺纹胶,以保证连接的牢固可靠;其次采用胶粘式也比较可靠,但要注意传感器最好与夹具之间保持绝缘;此外还有吸铁方式连接,但是该方案用于量值高的环境时连接不可靠,而且吸铁的磁场会对传感器产生一定的影响,因此不推荐使用。