傳感器(作業(yè))

1、制作團(tuán)隊(duì)：楊帆制作團(tuán)隊(duì)：楊帆 楊丹楊丹 王嬌王嬌 指導(dǎo)教師：張玉燕指導(dǎo)教師：張玉燕 目錄目錄 加速度測量的必要性分析加速度測量的必要性分析 加速度傳感器的定義加速度傳感器的定義 加速度傳感器的分類加速度傳感器的分類 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 傳感器適用范圍傳感器適用范圍 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 加速度測量的必要性加速度測量的必要性 準(zhǔn)確測量地球各點(diǎn)的絕對重力加速度值，對國防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和準(zhǔn)確測量地球各點(diǎn)的絕對重力加速度值，對國防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和 科學(xué)研究科學(xué)研究 有著十分重要的意義。有著十分重要的意義。 比如，遠(yuǎn)程洲際彈道導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船等都在地球重比如，

2、遠(yuǎn)程洲際彈道導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船等都在地球重 力場中運(yùn)動。在設(shè)計(jì)太空飛行器時(shí)，也要首先知道準(zhǔn)確的重力場數(shù)力場中運(yùn)動。在設(shè)計(jì)太空飛行器時(shí)，也要首先知道準(zhǔn)確的重力場數(shù) 據(jù)。為提高導(dǎo)彈射擊準(zhǔn)確度，必須準(zhǔn)確測量導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)的位據(jù)。為提高導(dǎo)彈射擊準(zhǔn)確度，必須準(zhǔn)確測量導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)的位 置，同時(shí)也必須準(zhǔn)確掌握地球形狀和重力資料。據(jù)有關(guān)資料表明，置，同時(shí)也必須準(zhǔn)確掌握地球形狀和重力資料。據(jù)有關(guān)資料表明， 1萬公里射程洲際導(dǎo)彈在發(fā)射點(diǎn)若有萬公里射程洲際導(dǎo)彈在發(fā)射點(diǎn)若有 的重力加速的重力加速 度誤差，則將造成度誤差，則將造成50米的射程誤差；發(fā)射衛(wèi)星最后一級火箭速度若米的射程誤差；發(fā)射衛(wèi)星最后一級

3、火箭速度若 有千分之二的相對誤差，衛(wèi)星就會偏離預(yù)定軌道近百公里，甚至導(dǎo)有千分之二的相對誤差，衛(wèi)星就會偏離預(yù)定軌道近百公里，甚至導(dǎo) 致發(fā)射失敗。在地震預(yù)報(bào)中，如果地殼上升或下降致發(fā)射失敗。在地震預(yù)報(bào)中，如果地殼上升或下降10毫米，將引起毫米，將引起 的重力加速度變化。的重力加速度變化。 毫伽）（秒米2 . 02/6102 微伽）（秒米32/8103 定義：能感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。 應(yīng)用學(xué)科：機(jī)械工程（一級學(xué)科）；傳感器（二級學(xué)科）； 物理量傳感器（三級 學(xué)科）。 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(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

4、力。加 速力可以是個(gè)常量。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）改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。 它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些 物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，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)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加 速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被 測加速度成正比。 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器 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 試儀器、設(shè)備振動監(jiān)測等

5、領(lǐng)域。 壓阻式加速度傳感器的應(yīng)用可以分為系 統(tǒng)反饋和導(dǎo)航儀器兩種。前者是用于控 制系統(tǒng)作為加速度信號反饋之用，后者 是檢測導(dǎo)航儀器的加速度。 電容式加速度傳感器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。 這種傳感器可以測量氣流（或液流）的振動速度 （或加速度），還可以進(jìn)一步測出壓力。 MS9010電容式傳感器電容式傳感器 Colibrys的MS9000慣性加速度傳感器是一種新的 超小型產(chǎn)品，適用于惡劣的使用環(huán)境和耐用度要 求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。這種

6、換代產(chǎn)品采用了 LCC20(8.9mm x 8.9mm)陶瓷封裝，具有從2g 到250g廣泛的加速度測量范圍。該傳感器可在 較大的溫度范圍應(yīng)用并且全使用壽命器件零位穩(wěn) 定保證在幾mg以內(nèi)。 Colibrys MS9000系列是一個(gè)電容式MEMS加速 度計(jì)，它是由一個(gè)立體微加工工藝支撐的硅元件， 一個(gè)低功耗ASIC專用信號處理器和一個(gè)存儲補(bǔ)償 值的微控制器以及一個(gè)溫度傳感器等元件組成。 該產(chǎn)品是一個(gè)低功耗的、校準(zhǔn)的、功能強(qiáng)大和性 能穩(wěn)定的產(chǎn)品，其電子配置中帶有一個(gè)電源重置 以防止電壓不穩(wěn)的全保護(hù)裝置。 伺服式加速度傳感器伺服式加速度傳感器 伺服式加速度傳感器是一種閉環(huán)測試 系統(tǒng)，具有動態(tài)性 能好

7、、動態(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 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)饔茫鰪?qiáng)了抗干 擾的能力，提高測量精度，擴(kuò)大了測 量范圍，伺服加速度 測量技術(shù)廣泛地 應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中， 在高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng) 用。 電容式加速度傳感器電容

8、式加速度傳感器 傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖 電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖：電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖： 由圖可見，它實(shí)際上是變介子電容式位移由圖可見，它實(shí)際上是變介子電容式位移 傳感器，配接傳感器，配接“m-k-c”系統(tǒng)構(gòu)成的。質(zhì)量系統(tǒng)構(gòu)成的。質(zhì)量 塊由塊由1根彈簧放置于殼體內(nèi)，質(zhì)量塊的左根彈簧放置于殼體內(nèi)，質(zhì)量塊的左 邊連接介子，通過質(zhì)量塊的動作帶動介子邊連接介子，通過質(zhì)量塊的動作帶動介子 的運(yùn)動，從而改變了介電常數(shù)。的運(yùn)動，從而改變了介電常數(shù)。 傳感器的等效原理圖傳感器的等效原理圖 電容式加速度傳感器的等效原理圖電容式加速度傳感器的等效原理圖 如圖所示。圖中，右側(cè)標(biāo)尺表示與

9、大地如圖所示。圖中，右側(cè)標(biāo)尺表示與大地 保持相對靜止的運(yùn)動參考點(diǎn)，稱為靜基保持相對靜止的運(yùn)動參考點(diǎn)，稱為靜基 準(zhǔn)，準(zhǔn)，x表示被測物體及傳感器底座相對表示被測物體及傳感器底座相對 于該參考點(diǎn)的位移，稱為絕對位移，于該參考點(diǎn)的位移，稱為絕對位移，y 表示質(zhì)量塊表示質(zhì)量塊m相對于傳感器底座的位移，相對于傳感器底座的位移， 稱為相對位移。稱為相對位移。x和和y之間關(guān)系可用典型之間關(guān)系可用典型 二階比常系數(shù)微分方程描述：二階比常系數(shù)微分方程描述： 式中： 為自振角頻率， ；為阻尼系數(shù)， ；C為空氣 阻尼。 而位移x，速度v，加速度a三者之間關(guān)系為： 0 m k 0 mk C 2 代入式（1）得： （2）

10、 經(jīng)拉式變換得“mkc”系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： my ma 令 ，可求得質(zhì)量塊相對運(yùn)動的位移振幅 與被測物體絕對運(yùn)動的加速 度振幅 的關(guān)系為： 式（4）具有低通濾波特性。 由此可見，當(dāng) 時(shí)：0 傳感器殼體的位移y與電容的關(guān)系為： 式中k為一個(gè)傳遞系數(shù)。 電容式傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖所示： 如圖8所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動電容。電橋的空載輸出電壓為： 對變極距型電容傳感器，代入上式得 差動電容計(jì)算及特性分析差動電容計(jì)算及特性分析 對于氣隙型電容傳感器，其電容值為對于氣隙型電容傳感器，其電容值為 ，電容式加速的電容，電容式加速的電容 變化量為：變化量為： 令：令： ，則：，則： 令

11、：令： ，則：，則： 則特性曲線為下圖：則特性曲線為下圖： dSC/ 0 xXCC0 0C C y xy 特性曲線 00/CC 電容傳感器的容抗很高，特別是電 源頻率較低時(shí)，容抗更高。如果兩極板 之間的漏電組與此容抗相接近時(shí)，就必 須考慮分路作用對系統(tǒng)靈敏度的影響。 它將使傳感器的靈敏度下降。因此應(yīng)選 用絕緣性能很好的陶瓷、石英、聚四氟 乙烯等材料作為兩極板之間的支架，可 大大提高兩極板之間的漏電組。當(dāng)然， 適當(dāng)?shù)奶岣呒铍娫吹念l率也可以降低 對材料絕緣性能的要求。 電容式加速度傳感器的技術(shù)要求電容式加速度傳感器的技術(shù)要求 殼體固定要求殼體固定要求 整個(gè)殼體需要固定在被測運(yùn)動物體之上，殼體與被

12、測物體不能整個(gè)殼體需要固定在被測運(yùn)動物體之上，殼體與被測物體不能 有相對運(yùn)動，或者說不能有相對加速度。有相對運(yùn)動，或者說不能有相對加速度。 如果殼體與被測運(yùn)動物體沒有結(jié)合在一起，之間有相對加速度，如果殼體與被測運(yùn)動物體沒有結(jié)合在一起，之間有相對加速度， 則測量出來的加速的包含了一個(gè)與這個(gè)相對加速度方向相反的加速則測量出來的加速的包含了一個(gè)與這個(gè)相對加速度方向相反的加速 度，導(dǎo)致誤差。度，導(dǎo)致誤差。 措施：把殼體用螺釘栓在被測體之上。措施：把殼體用螺釘栓在被測體之上。 滑塊與殼體接觸面的光滑度要求滑塊與殼體接觸面的光滑度要求 本加速度傳感器主要是利用滑塊的慣性運(yùn)動，經(jīng)傳感顯示出加速本加速度傳感器

13、主要是利用滑塊的慣性運(yùn)動，經(jīng)傳感顯示出加速 度。度。 如果滑塊與殼體接觸面光滑度不夠，則必然不能很好的顯示出加速度如果滑塊與殼體接觸面光滑度不夠，則必然不能很好的顯示出加速度 的變化情況。的變化情況。 減少誤差的措施：減少誤差的措施： （1）接觸面盡量光滑。從硬件上加大加工減少摩擦，使這個(gè)影）接觸面盡量光滑。從硬件上加大加工減少摩擦，使這個(gè)影 響變小。響變小。 （2）加強(qiáng)表面加工；加注潤滑油。）加強(qiáng)表面加工；加注潤滑油。 測控電路的要求測控電路的要求 測控電路的作用是將信號放大，并轉(zhuǎn)換成所需要的信號類型。測控電路的作用是將信號放大，并轉(zhuǎn)換成所需要的信號類型。 這里，測控電路需要把信號放大，且把

14、模擬信號要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，這里，測控電路需要把信號放大，且把模擬信號要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號， 利用單片機(jī)顯示在頻幕上。利用單片機(jī)顯示在頻幕上。 然而信號是極其微弱的，電路之中一個(gè)器件發(fā)出的噪聲也許能然而信號是極其微弱的，電路之中一個(gè)器件發(fā)出的噪聲也許能 比這個(gè)信號要大。所以測控電路一定要濾除干擾信號。所以，在測比這個(gè)信號要大。所以測控電路一定要濾除干擾信號。所以，在測 控電路之上一定要加屏蔽措施?？仉娐分弦欢ㄒ悠帘未胧?措施：外加屏蔽罩；內(nèi)加屏蔽電路。措施：外加屏蔽罩；內(nèi)加屏蔽電路。 單片機(jī)程序要求單片機(jī)程序要求 經(jīng)過傳感器的信號最后經(jīng)過經(jīng)過傳感器的信號最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由單片轉(zhuǎn)換由單片 機(jī)顯

15、示出來。但是系統(tǒng)存在很多影響因素，這機(jī)顯示出來。但是系統(tǒng)存在很多影響因素，這 些因素導(dǎo)致測量誤差。對于誤差的處理我們一些因素導(dǎo)致測量誤差。對于誤差的處理我們一 般選用誤差補(bǔ)償，把損失的量值加在結(jié)果之中。般選用誤差補(bǔ)償，把損失的量值加在結(jié)果之中。 所以在單片機(jī)的顯示程序之中，應(yīng)該由測量數(shù)所以在單片機(jī)的顯示程序之中，應(yīng)該由測量數(shù) 據(jù)和這個(gè)誤差值所組成。據(jù)和這個(gè)誤差值所組成。 傳感器適用范圍傳感器適用范圍 1、影響適用范圍的因素 除了之上所述，摩擦影響測量精度。還有就是地球萬有引力作 用，如果被測物體不是在水平線上運(yùn)動，而是斜向上，或者斜向下。 這時(shí)候，即使物體是停放在一個(gè)斜坡之上，按傳感器的設(shè)計(jì)，

16、這里 也會有加速度顯示。顯然這是不行的。所以單單這個(gè)傳感器，只能 適用于水平直線運(yùn)動。顯然，這個(gè)適用范圍很窄。 2、加設(shè)重力加速度傳感器 由于重力的影響，使傳感器只能適用于水平的運(yùn)動中。但是如 果加設(shè)一個(gè)重力在運(yùn)動線上分量測量的傳感器，然后用之前傳感器 的測量減去這個(gè)分量的線性疊加。這樣就可以避開重力的影響。 特殊情況，如果運(yùn)動在垂直線上，測量結(jié)果減去一個(gè)重力加速 度就可以了。 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方法，如手提電腦的硬盤抗在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方法，如手提電腦的硬盤抗 衰保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也用來檢測拍攝時(shí)候的手衰保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)

17、和攝像機(jī)里，也用來檢測拍攝時(shí)候的手 部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳 感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性 能方面。能方面。 磁懸浮列車 擺式列車轉(zhuǎn)向架 加速度測量的發(fā)展趨勢加速度測量的發(fā)展趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測試與控制技術(shù)，已越隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測試與控制技術(shù)，已越 來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?？梢哉f，測試技術(shù)與來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?？梢哉f，測試技術(shù)與 自動控制水平的高低，是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要自動控制水平的高低，是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要 標(biāo)志，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱技術(shù)之一。目前，越來越多的新標(biāo)志，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱技術(shù)之一。目前，越來越多的新 型傳感器出現(xiàn)在我們的生活中，傳感器正在向新型多品種、高精度型傳感器出現(xiàn)在我們的生活中，傳感器正在向新型多品種、高精度 即小型化、集成化、多功能智能化方向發(fā)展。近年來隨著科學(xué)技術(shù)即小型化、集成化、多功能智能化方向發(fā)展。近年來隨著科學(xué)技術(shù) 的發(fā)展，電容式傳感器的缺點(diǎn)不斷地被克服，應(yīng)用也越來越廣泛，的發(fā)展，電容式傳感器的缺點(diǎn)不斷地被克