微型加速度計(jì)

微型加速器計(jì)電科142唐延剛14461223

基于MEMS技術(shù)的微型傳感器是微機(jī)電系統(tǒng)研究中最具活力與現(xiàn)實(shí)意義的領(lǐng)域。微加速度傳感器作為微傳感器的重要分支一直是熱門的研究課題。采用微機(jī)電技術(shù)制造的微加速度傳感器在壽命、可靠性、成本、體積和重量等方面都要大大優(yōu)于常規(guī)的加速度傳感器，使得其無論在民用領(lǐng)域，還是在軍用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在軍用上可用于各種飛行裝置的加速度測量、振動(dòng)測量、沖擊測量，尤其在武器系統(tǒng)的精確制導(dǎo)系統(tǒng)、彈藥的安全系統(tǒng)、彈藥的點(diǎn)火控制系統(tǒng)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。微型加速計(jì)概況

加速度計(jì)是根據(jù)慣性原理相對(duì)慣性空間工作。直接測量加速度本身是很困難的，雖然載體的加速度可以通過位移傳感器或速度傳感器獲得，但通常大多數(shù)加速度計(jì)是借助敏感質(zhì)量將加速度變成力進(jìn)行間接測量的。根據(jù)牛頓第二定律，作用于物體上的力等于該物體的質(zhì)量乘以加速度。換言之，加速度作用在敏感質(zhì)量上，敏感質(zhì)量將其感應(yīng)為慣性力，測量該慣性力，就可以間接地測量到載體的加速度。加速器計(jì)工作原理力學(xué)模型圖慣性式加速度傳感器工作原理加速度計(jì)一般是利用質(zhì)量為m的敏感質(zhì)量塊（振動(dòng)塊）來測加速度的。外部加速度對(duì)質(zhì)量塊發(fā)生作用，我們通過測量質(zhì)量塊的位移（振幅）。其動(dòng)態(tài)特性可由二級(jí)微分方程表示。也可以測量保持其位置不變所需的力，這時(shí)，需要有一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，也稱為有源加速計(jì)，基于牛頓第二定律，來得出加速度值。加速度計(jì)是一種高固有頻率的傳感器，而微加速度傳感器，由于尺寸微小，剛度大，其固有頻率是很高的，所以被廣泛應(yīng)用。微型加速度計(jì)的基本原理大致相同，但有很多種類型，如壓阻式、電容式、壓電式、熱傳導(dǎo)式、隧道式等。壓電式加速度傳感器的性能和參數(shù)與壓阻式加速度傳感器的性能和參數(shù)一樣，包括靈敏度、頻率響應(yīng)、精度誤差等。但是，兩者性能有較大差別，例如壓電式加速度傳感器是電容性的，高阻抗，而壓阻式加速度傳感器是電阻性，低阻抗;壓電式加速度傳感器的頻響范圍較窄，在恒定方向加速度下壓電式加速度傳感器不輸出信號(hào)，通常其頻響范圍為2～270Hz;壓電式加速度傳感器的誤差較小，通常約為壓阻式加速度傳感器的一半。加速器計(jì)的分類微型壓阻式加速度計(jì)電容式加速計(jì)的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計(jì)與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較?。坏蛔阒幈憩F(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計(jì)高得多。加速器計(jì)的分類微型電容式加速度計(jì)隧道電流型加速度計(jì)是一種高精度的微機(jī)械加速度計(jì)，它是將微硅機(jī)械結(jié)構(gòu)與基于電子隧道效應(yīng)的高靈敏測量新技術(shù)結(jié)合在一起形成的。其基本原理是利用在窄的真空勢壘中的電子隧道效應(yīng)，利用原子線度針尖與電極之間的隧道電流變化來檢測加速度。隧道電流對(duì)針尖與電極之間的距離變化非常敏感，外界加速度引起針尖與電極之間的相對(duì)位移，會(huì)導(dǎo)致隧道電流對(duì)位移的指數(shù)變化?？梢杂昧Ψ答伒姆椒ū３炙泶╇娏鞯暮愣?。這樣加速度變化引起的慣性力變化就可以通過靜電平衡力來檢測。其缺點(diǎn)是需要閉環(huán)控制電路和電壓的長期漂移，而且該類型的加速度計(jì)不能檢測靜態(tài)加速度輸入。加速器計(jì)的分類微型隧道式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號(hào)。壓電式加速度計(jì)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)測量傳感器。雖然壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，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量零頻率的信號(hào)。加速器計(jì)的分類微型壓電式加速度計(jì)02040103靈敏度：一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對(duì)一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。帶寬：這里的帶寬實(shí)際上指的是刷新頻率范圍。也就是說每秒鐘，傳感器會(huì)產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對(duì)于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對(duì)于需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能，比如振動(dòng)，你會(huì)需要一個(gè)具有上百HZ帶寬的傳感器。測量軸數(shù)量：對(duì)于多數(shù)項(xiàng)目來說，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對(duì)于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會(huì)適合一點(diǎn)。最大測量值：如果你只要測量機(jī)器人相對(duì)于地面的傾角，那一個(gè)±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測量機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機(jī)器人會(huì)有比如突然啟動(dòng)或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個(gè)±5g的傳感器。性能指標(biāo)傳感器的前景和發(fā)展全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延