微型加速度計

微型加速器計電科142唐延剛14461223

基于MEMS技術(shù)的微型傳感器是微機電系統(tǒng)研究中最具活力與現(xiàn)實意義的領(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)、彈藥的點火控制系統(tǒng)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。微型加速計概況

加速度計是根據(jù)慣性原理相對慣性空間工作。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)加速度計是借助敏感質(zhì)量將加速度變成力進行間接測量的。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一般是利用質(zhì)量為m的敏感質(zhì)量塊（振動塊）來測加速度的。外部加速度對質(zhì)量塊發(fā)生作用，我們通過測量質(zhì)量塊的位移（振幅）。其動態(tài)特性可由二級微分方程表示。也可以測量保持其位置不變所需的力，這時，需要有一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，也稱為有源加速計，基于牛頓第二定律，來得出加速度值。加速度計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，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。加速器計的分類微型壓阻式加速度計電容式加速計的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計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，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現(xiàn)在信號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源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(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高得多。加速器計的分類微型電容式加速度計隧道電流型加速度計是一種高精度的微機械加速度計，它是將微硅機械結(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位移，會導(dǎo)致隧道電流對位移的指數(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不能檢測靜態(tài)加速度輸入。加速器計的分類微型隧道式加速度計壓電式加速度計是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個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。壓電式加速度計具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度計的結(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，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。加速器計的分類微型壓電式加速度計02040103靈敏度：一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(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：這里的帶寬實際上指的是刷新頻率范圍。也就是說每秒鐘，傳感器會產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對于需要進行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個具有上百HZ帶寬的傳感器。測量軸數(shù)量：對于多數(shù)項目來說，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適合一點。最大測量值：如果你只要測量機器人相對于地面的傾角，那一個±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測量機器人的動態(tài)性能，±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機器人會有比如突然啟動或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個±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