加速度傳感器的工作原理與應用-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯加速度傳感器的工作原理與應用-基礎電子加速度傳感器的應用

加速度傳感器可以幫助你的機器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。

是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機的振動。

通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發(fā)現(xiàn)光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。

有些筆記本電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。

加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結構物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

加速度傳感器工作原理

線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到F對應于電流的關系。只需要用實驗去標定這個比例系數(shù)就行了。當然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如、空間系統(tǒng)、科學測量等領域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應用新興的微機械加工技術制作的微加速度傳感器應運而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機械結構制作、重復性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價格比很高?？梢灶A見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場中占主導地位。

微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。

壓電式傳感器是利用彈簧質(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。壓電式加速度傳感器具有動態(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，是被為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結構簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關，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，其的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

傳感器整個組件裝在一個原基座上，并用金屬殼體加以封罩。為了隔離試件的任何應變傳遞到壓電元件上去，基座尺寸較大。測試時傳感器的基座與測試件剛性連接。當測試件的振動頻率遠低于傳感器的諧振頻率時，傳感器輸出電荷(或電壓)與測試件的加速度成正比，經(jīng)電荷放大器或電壓放大器即可測出加速度。

應變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料制成電阻測量電橋，其結構動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性，但對某個特定設計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是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠高于壓電型加速度傳感器。

電容型加速度傳感器的結構形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當質(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、環(huán)境適應性好等特點，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傳感器高得多。

加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結構物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

目前，大部分設備都提供了可以檢測各個方向的加速度傳感器。以iOS設備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x,y,z軸代表方向如圖）的特性來分析。分別用以檢測人步行中三個方向的加速度變化。

計步的合理算法

因為用戶在運動中可能用手平持設備，或者將設備置于口袋中。所以，設備的放置方向不定。為此，通過計算三個加速度的矢量長度，我們可以獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。

第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運動方向，通過矢量長度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上保存的加速度方向進行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態(tài)，則進入計步邏輯進行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行