加速度傳感器

加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中,通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量,利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同,常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。

加速度傳感器分類

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。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng),在加速度計(jì)受振時,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,則力的變化與被測加速度成正比。

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)測等領(lǐng)域。

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。電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)是對比較通用的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無可替代,如安全氣囊,手機(jī)移動設(shè)備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)采用了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝,在大量生產(chǎn)時變得經(jīng)濟(jì),從而保證了較低的成本。

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、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上還接著一個電磁線圈,當(dāng)基座上有 加速度輸入時,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?增強(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。

加速度傳感器應(yīng)用

通過測量由于重力引起的加速度,你可以計(jì)算出設(shè)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(shè)備移動的方式。加速度傳感器可以幫助機(jī)器人了解它身處的環(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(jī)器人來說,對于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是,你的機(jī)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(jī)的振動。加速度傳感器也可以測量牽引力產(chǎn)生的加速度。

加速度傳感器應(yīng)用案例

• 加速度傳感器應(yīng)用于地震檢波器設(shè)計(jì)

地震檢波器是用于地質(zhì)勘探和工程測量的專用傳感器,是一種將地面振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膫鞲衅?能把地震波引起的地面震動轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)組織、存儲、運(yùn)算處理。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備,典型應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、步程計(jì)和運(yùn)動檢測等。

• 加速度傳感器技術(shù)應(yīng)用于車禍報警

在汽車工業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)代,汽車成為了人們出行主要的交通工具之一,但是因交通事故的傷亡數(shù)量也十分巨大。在信息化的現(xiàn)代利用高科技去挽救人的生命將會是重大研究的主題之一,基于加速度的車禍報警系統(tǒng)正是懷著這種設(shè)計(jì)理念,相信這種系統(tǒng)的推廣,會給汽車行業(yè)帶來更多的安全。

• 加速度傳感器應(yīng)用于監(jiān)測高壓導(dǎo)線舞動

目前國內(nèi)對導(dǎo)線舞動監(jiān)測多采用視頻圖像采集和運(yùn)動加速度測量兩種主要技術(shù)方案。前者在野外高溫、高濕、嚴(yán)寒、濃霧、沙塵等天氣條件下,不僅對視頻設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性要求很高,而且拍攝的視頻圖像的效果也會受到影響,在實(shí)際使用中只能作為輔助監(jiān)測手段,無法定量分析導(dǎo)線運(yùn)動參數(shù);而采用加速度傳感器監(jiān)測導(dǎo)線舞動情況,雖可定量分析輸電導(dǎo)線某一點(diǎn)上下振動和左右擺動的情況,但只能測出導(dǎo)線直線運(yùn)動的振幅和頻率,而對于復(fù)雜的圓周運(yùn)動,則無法準(zhǔn)確測量。所以我們必須加快加速度傳感器的發(fā)展來適應(yīng)諸如此類環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用。

• 汽車安全

加速度傳感器主要用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。在安全應(yīng)用中,加速度計(jì)的快速反應(yīng)非常重要。安全氣囊應(yīng)在什么時候彈出要迅速確定,所以加速度計(jì)必須在瞬間做出反應(yīng)。通過采用可迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)而不是振動不止的傳感器設(shè)計(jì)可以縮短器件的反應(yīng)時間。其中,壓阻式加速度傳感器由于在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用而發(fā)展最快。

• 游戲控制

加速度傳感器可以檢測上下左右的傾角的變化,因此通過前后傾斜手持設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對游戲中物體的前后左右的方向控制,就變得很簡單。

• 圖像自動翻轉(zhuǎn)

用加速度傳感器檢測手持設(shè)備的旋轉(zhuǎn)動作及方向,實(shí)現(xiàn)所要顯示圖像的轉(zhuǎn)正。

• 電子指南針傾斜校正

磁傳感器是通過測量磁通量的大小來確定方向的。當(dāng)磁傳感器發(fā)生傾斜時,通過磁傳感器的地磁通量將發(fā)生變化,從而使方向指向產(chǎn)生誤差。因此,如果不帶傾斜校正的電子指南針,需要用戶水平放置。而利用加速度傳感器可以測量傾角的這一原理,可以對電子指南針的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償。

• GPS導(dǎo)航系統(tǒng)死角的補(bǔ)償

GPS系統(tǒng)是通過接收三顆呈120度分布的衛(wèi)星信號來最終確定物體的方位的。在一些特殊的場合和地貌,如遂道、高樓林立、叢林地帶,GPS信號會變?nèi)跎踔镣耆?這也就是所謂的死角。而通過加裝加速度傳感器及以前我們所通用的慣性導(dǎo)航,便可以進(jìn)行系統(tǒng)死區(qū)的測量。對加速度傳感器進(jìn)行一次積分,就變成了單位時間里的速度變化量,從而測出在死區(qū)內(nèi)物體的移動。

• 計(jì)步器功能

加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動,人在走動的時候會產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動,而加速度傳感器可以檢測振動的過零點(diǎn),從而計(jì)算出人所走的步或跑步所走的步數(shù),從而計(jì)算出人所移動的位移。并且利用一定的公式可以計(jì)算出卡路里的消耗。

• 防手抖功能

用加速度傳感器檢測手持設(shè)備的振動/晃動幅度,當(dāng)振動/晃動幅度過大時鎖住照相快門,使所拍攝的圖像永遠(yuǎn)是清晰的。

• 閃信功能

通過揮動手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)在空中顯示文字,用戶可以自己編寫顯示的文字。這個閃信功能是利用人們的視覺殘留現(xiàn)象,用加速度傳感器檢測揮動的周期,實(shí)現(xiàn)所顯示文字的準(zhǔn)確定位。

• 硬盤保護(hù)

利用加速度傳感器檢測自由落體狀態(tài),從而對迷你硬盤實(shí)施必要的保護(hù)。大家知道,硬盤在讀取數(shù)據(jù)時,磁頭與碟片之間的間距很小,因此,外界的輕微振動就會對硬盤產(chǎn)生很壞的后果,使數(shù)據(jù)丟失。而利用加速度傳感器可以檢測自由落體狀態(tài)。當(dāng)檢測到自由落體狀態(tài)時,讓磁頭復(fù)位,以減少硬盤的受損程度。

• 設(shè)備或終端姿態(tài)檢測

加速度傳感器和陀螺儀通常稱為慣性傳感器,常用于各種設(shè)備或終端中實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢測,運(yùn)動檢測等,也就很適合玩體感游戲的人群。加速度傳感器利用重力加速度,可以用于檢測設(shè)備的傾斜角度,但是它會受到運(yùn)動加速度的影響,使傾角測量不夠準(zhǔn)確,所以通常需利用陀螺儀和磁傳感器補(bǔ)償。同時磁傳感器測量方位角時,也是利用地磁場,當(dāng)系統(tǒng)中電流變化或周圍有導(dǎo)磁材料時,以及當(dāng)設(shè)備傾斜時,測量出的方位角也不準(zhǔn)確,這時需要用加速度傳感器(傾角傳感器)和陀螺儀進(jìn)行補(bǔ)償。

• 智能產(chǎn)品

加速度傳感器在微信功能中的創(chuàng)新功能突破了電子產(chǎn)品的千篇一律,這個功能的實(shí)現(xiàn)來源傳感器的方向、加速表、光線、磁場、臨近性、溫度等參數(shù)的特性。這個原理是手機(jī)里面集成的加速度傳感器,它能夠分別測量X、Y、Z三個方面的加速度值,X方向值的大小代表手機(jī)水平移動,Y方向值的大小代表手機(jī)垂直移動,Z方向值的大小代表手機(jī)的空間垂直方向,天空的方向?yàn)檎?地球的方向?yàn)樨?fù),然后把相關(guān)的加速度值傳輸給操作系統(tǒng),通過判斷其大小變化,就能知道同時玩微信的朋友。

加速度傳感器工作原理

線加速度計(jì)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(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。

所謂的壓電效應(yīng)就是 "對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外,還將改變晶體的極化狀態(tài),在晶體內(nèi)部建立電場,這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) "。

一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產(chǎn)生電壓,只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系,就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然,還有很多其它方法來制作加速度傳感器,比如壓阻技術(shù),電容效應(yīng),熱氣泡效應(yīng),光效應(yīng),但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個介質(zhì)產(chǎn)生變形,通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。每種技術(shù)都有各自的機(jī)會和問題。

壓阻式加速度傳感器由于在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用而發(fā)展最快。由于安全性越來越成為汽車制造商的賣點(diǎn),這種附加系統(tǒng)也越來越多。壓阻式加速度傳感器2000年的市場規(guī)模約為4.2億美元,根據(jù)有關(guān)調(diào)查,預(yù)計(jì)其市值將按年平均4.1%速度增長,至2007年達(dá)到5.6億美元。這其中,歐洲市場的速度最快,因?yàn)闅W洲是許多安全氣囊和汽車生產(chǎn)企業(yè)的所在地。

壓電技術(shù)主要在工業(yè)上用來防止機(jī)器故障,使用這種傳感器可以檢測機(jī)器潛在的故障以達(dá)到自保護(hù),及避免對工人產(chǎn)生意外傷害,這種傳感器具有用戶,尤其是質(zhì)量行業(yè)的用戶所追求的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和自生性。但是在許多新的應(yīng)用領(lǐng)域,很多用戶尚無使用這類傳感器的意識,銷售商冒險進(jìn)入這種尚待開發(fā)的市場會麻煩多多,因?yàn)榻K端用戶對由于使用這種傳感器而帶來的問題和解決方法都認(rèn)識不多。

如果這些問題能夠得到解決,將會促進(jìn)壓電傳感器得到更快的發(fā)展。2002年壓電傳感器市值為3億美元,預(yù)計(jì)其年增長率將達(dá)到4.9%,到2007年達(dá)到4.2億美元。

使用加速度傳感器有時會碰到低頻場合測量時輸出信號出現(xiàn)失真的情況,用多種測量判斷方法一時找不出故障出現(xiàn)的原因,經(jīng)過分析總結(jié),導(dǎo)致測量結(jié)果失真的因素主要是:系統(tǒng)低頻響應(yīng)差,系統(tǒng)低頻信噪比差,外界環(huán)境對測量信號的影響。 所以,只要出現(xiàn)加速度傳感器低頻測量信號失真情況,對比以上三點(diǎn)看看是哪個因素造成的,有針對性的進(jìn)行解決。

加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)

1、靈敏度方面的技術(shù)指標(biāo):對于一個儀器來說,一般都是靈敏度越高越好的,因?yàn)樵届`敏,對周圍環(huán)境發(fā)生的加速度的變化就越容易感受到,加速度變化大,很自然地,輸出的電壓的變化相應(yīng)地也變大,這樣測量就比較容易方便,而測量出來的數(shù)據(jù)也會比較精確的。

2、帶寬方面的技術(shù)指標(biāo):帶寬指的的是傳感器可以測量的有效的頻帶,比如,一個傳感器有上百HZ帶寬的就可以測量振動了;一個具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測量傾角了。

3、量程方面的技術(shù)指標(biāo):測量不一樣的事物的運(yùn)動所需要的量程都是不一樣的,要根據(jù)實(shí)際情況來衡量。

解析手機(jī)上的傳感器

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,也就是重力。加速力可以是個常量,比如g,也可以是變量。因此其的范圍比重力感應(yīng)器要大,但是一般在手機(jī)被提到的加速度感應(yīng)器時,其實(shí)就是指重力感應(yīng)器,因此兩者可以看做是等價的。

方向感應(yīng)器

手機(jī)方向傳感器是指,安裝在手機(jī)上用以檢測手機(jī)本身處于何種方向狀態(tài)的部件,而不是通常理解的指南針的功能。

手機(jī)方向檢測功能可以檢測手機(jī)處于正豎、倒豎、左橫、右橫,仰、俯狀態(tài)。具有方向檢測功能的手機(jī)具有使用更方便、更具人性化的特點(diǎn)。例如,手機(jī)旋轉(zhuǎn)后,屏幕圖像可以自動跟著旋轉(zhuǎn)并切換長寬比例,文字或菜單也可以同時旋轉(zhuǎn),使你閱讀方便;聽MP3時。可能會有人說:這個跟那個重力感應(yīng)器是一樣的?

這個兩者是不一樣的,方向感應(yīng)器或者叫應(yīng)用角速度傳感器比較合適,一般手機(jī)的上的方向感應(yīng)器是感應(yīng)水平面上的方位角、旋轉(zhuǎn)角和傾斜角的。這個如果你可能覺得有點(diǎn)理論的話,舉個例子吧。有方向感應(yīng)器的能很好的玩都市賽車游戲。而只有重力感應(yīng)器也能玩,但是,結(jié)果很令人糾結(jié)。

為了得到高度真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),使用者應(yīng)當(dāng)全面地了解所用儀器的工作特性,這些特性是怎樣互相影響的,整個環(huán)境對這些特性是如何影響的,以及加速度計(jì)對被測運(yùn)動是如何影響的。

加速度計(jì)是關(guān)鍵的測量元件,有多種設(shè)計(jì)型式供選用。每種設(shè)計(jì)型式都為某些特定用處設(shè)計(jì)的,目的是為獲得高保真的測量數(shù)據(jù)。

工程師們應(yīng)認(rèn)真地分析測量的要求,選用最合適的加速度計(jì),通常要在靈敏度,重量和頻響范圍三者之間比較,做出最合適的選擇。

傳感器主要工作特性分為有效響應(yīng)與亂真響應(yīng)兩類。

●有效響應(yīng) effective response

在傳感器靈敏軸方向上,由輸入的機(jī)械振動或沖擊所引起的傳感器的響應(yīng)。這種響應(yīng)是正確使用傳感器進(jìn)行測量,取得可靠數(shù)據(jù)所期望的。

●亂真響應(yīng) spurious response

在使用傳感器測量機(jī)械振動或沖擊時,由同時存在的其他物理因素所引起的傳感器的響應(yīng)。這種響應(yīng)是干擾正確測量的,是不期望的。(見國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13823.1-93)

有效響應(yīng)主要有:

靈敏度;幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng);非線性度。

亂真響應(yīng)主要有:

溫度響應(yīng);瞬變溫度靈敏度;橫向靈敏度;旋轉(zhuǎn)運(yùn)動靈敏度;基座應(yīng)變靈敏度;磁靈敏度;安裝力矩靈敏度;對特殊環(huán)境的響應(yīng)。(見國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13823.1-93)

●靈敏度:(Sensitivity)

指定的輸出量與指定的輸入量之比。

●參考靈敏度:(Reference Sensitivity)

在給定的參考頻率和參考幅值下傳感器的靈敏度值。

傳感器靈敏度越高,測量系統(tǒng)的信噪比就越大,系統(tǒng)就不易受靜電干擾或電磁場的影響。對某種具體的加速度計(jì)設(shè)計(jì)型式來說,靈敏度越高,則傳感器越重,共振頻率也越低。因此選用多大靈敏度受其重量和頻率響應(yīng)的制約。

一般情況下,傳感器的靈敏度包括幅值與相位兩個信息,是隨頻率變化的復(fù)數(shù)量。

●幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)

在輸入的機(jī)械振動量值不變的情況下,傳感器輸出電量的幅值隨振動頻率的變化,稱為幅頻響應(yīng)。而輸出電量的相位隨振動頻率的變化,稱為相頻響應(yīng)。

在工作頻段內(nèi)連續(xù)地改變振動頻率,且維持輸入的機(jī)械振動量幅值不變,同時觀測傳感器的輸出,便可測定幅頻響應(yīng)。若同時測量傳感器輸出電量與輸入機(jī)械振動量間的相位差,則又可測定相頻響應(yīng)。

一般情況下,只要求知道幅頻響應(yīng)。在接近傳感器上、下限頻率處使用傳感器,或有要求時,則必須知道相頻響應(yīng)。

●非線性度

在給定的頻率和幅值范圍內(nèi),輸出量與輸入量成正比,稱為線性變化。實(shí)際傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果與線性變化偏離的程度,稱為該傳感器的非線性度。

在由最小值到最大值的傳感器動態(tài)范圍內(nèi),逐漸增大輸入的機(jī)械振動量,同時測量傳感器輸出幅值的變化,便可測定傳感器的輸出值與線性輸出值的偏差量。在使用正弦振動發(fā)生器進(jìn)行測定時,可在傳感器的工作頻率范圍內(nèi)選定幾個頻率進(jìn)行,以覆蓋傳感器整個動態(tài)范圍。

一般在傳感器動態(tài)范圍的上限附近傳感器的輸出值與線性值的偏差量最大。所允許的偏差量取決于具體測量的要求。

對壓電加速度計(jì),一般用在一定的加速度范圍內(nèi),其靈敏度增加的百分?jǐn)?shù)來表示非線性度。壓阻式,變電容式加速度計(jì)在其動態(tài)范圍內(nèi)線性度較好,它代表了非線性、滯后和非重復(fù)性的綜合值。

●質(zhì)量負(fù)載的影響

如果加速度計(jì)的動態(tài)質(zhì)量接近被測結(jié)構(gòu)物的動態(tài)質(zhì)量,則會使振動產(chǎn)生明顯的衰減。為此在諸如印刷電路板等又薄又輕的片狀構(gòu)件上測振時,為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)必須采用重量輕的加速度計(jì)。如果被測物件呈現(xiàn)單自由度的響應(yīng),則加速度計(jì)將使其共振頻率下降。在所有的模態(tài)試驗(yàn)中必須使用微型加速度計(jì)。

●低頻響應(yīng)

使用壓電加速度計(jì)時,所用放大器低頻截止頻率多為2-5Hz,目的是以此來剔除許多壓電傳感器的熱釋電輸出。像隔離剪切式設(shè)計(jì)等隔離性好的設(shè)計(jì)型式可用在較低的頻率。壓阻式和變電容式加速度計(jì)則具有零頻響應(yīng)。

●高頻響應(yīng)

加速度計(jì)的高頻響應(yīng)隨加速度計(jì)的機(jī)械性能和安裝方法而變。在安裝牢固時,大多數(shù)加速度計(jì)呈現(xiàn)無阻尼單自由度系統(tǒng)的頻響特性。以±5%為要求的話,其頻率響應(yīng)約平整到安裝共振頻率的五分之一。如果加適當(dāng)?shù)男拚驍?shù),則可在更高的頻率上得到有用的數(shù)據(jù)。

●溫度響應(yīng)

傳感器靈敏度隨溫度的變化,稱為傳感器的溫度響應(yīng)。用測試溫度下的靈敏度與室溫下的靈敏度之差相對于室溫靈敏度的百分?jǐn)?shù)來表示。

常用壓電加速度計(jì)的溫度范圍為零度以下至+177°C 或 +260°C。某些特定型號,低溫可達(dá)絕對零度,高溫可達(dá)760°C。很多種壓電加速度計(jì)設(shè)計(jì)型式在很寬的溫度范圍內(nèi)的溫度響應(yīng)很平。壓阻式、變電容式加速度計(jì)的典型溫度范圍為-18°C～+93°C。

●壓電傳感器的瞬變溫度靈敏度

具有熱釋電效應(yīng)的傳感器在瞬變溫度作用下將產(chǎn)生電輸出,該輸出的最大值與傳感器靈敏度和溫度改變量乘積的比值稱為瞬變溫度靈敏度。

在溫度產(chǎn)生變化時,壓電元件會產(chǎn)生輸出信號,這稱之為熱釋電效應(yīng)。試件或氣流溫度的突變會引起這種溫度變化。大多數(shù)情況下這種效應(yīng)是很低頻的,只有信號適調(diào)儀的響應(yīng)在1赫以下,才能檢測到。如果信號適調(diào)儀有級間高通濾波器,則應(yīng)特別注意,熱釋電信號可能會使放大器飽和,使它短時間不工作。

基座隔離式,剪切式,隔離剪切式設(shè)計(jì)的熱釋電效應(yīng)較小。壓阻式,變電容式的這種效應(yīng)是可以忽略的。

●橫向靈敏度

對于單向測量來說,要求加速度計(jì)不得對被測物體的橫向運(yùn)動產(chǎn)生任何響應(yīng)是十分必要的。但加速度計(jì)不可能是完美無缺的,總是有一定的橫向靈敏度,它與橫向振動的方向有關(guān),其橫向靈敏度一般為軸向靈敏度的1～5%。恩德福克對每個加速度計(jì)進(jìn)行橫向靈敏度校準(zhǔn)并給出其最大值。

●橫向靈敏度比

在與傳感器靈敏軸垂直的方向上受到激勵時傳感器的靈敏度,稱為橫向靈敏度。橫向靈敏度與沿靈敏軸方向上的靈敏度之比,稱為橫向靈敏度比。

●旋轉(zhuǎn)運(yùn)動靈敏度

某些直線振動傳感器對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是敏感的。在進(jìn)行試驗(yàn)時必須小心。以免造成測量誤差。

●基座應(yīng)變靈敏度

在傳感器基座產(chǎn)生應(yīng)變時會引起不應(yīng)有的信號輸出,該輸出值與傳感器靈敏度和應(yīng)變值乘積的比值,稱為基座應(yīng)變靈敏度。

在某些試驗(yàn)中,加速度計(jì)安裝處可能會存在動態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等。由于與應(yīng)變區(qū)緊密接觸,加速度計(jì)底座也會發(fā)生應(yīng)變。部分應(yīng)變會傳給敏感元件,從而產(chǎn)生與振動運(yùn)動無關(guān)的輸出信號。

剪切式設(shè)計(jì)的加速度計(jì)要比壓縮式的對基座應(yīng)變的敏感程度小一個數(shù)量級。應(yīng)用絕緣安裝螺釘或粘貼式轉(zhuǎn)接件可以減小這種影響。

●磁靈敏度

傳感器被置于磁場中會產(chǎn)生的不應(yīng)有的信號輸出,該輸出值與傳感器靈敏度和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積的比值,稱為傳感器的磁靈敏度。

●安裝力矩靈敏度

采用螺紋安裝的傳感器,安裝力矩的變化會引起靈敏度發(fā)生變化。施加1/2倍規(guī)定安裝力矩或施加2倍規(guī)定安裝力矩時的靈敏度與施加規(guī)定安裝力矩時的靈敏度之最大差值,相對于施加規(guī)定安裝力矩時靈敏度的比值的百分?jǐn)?shù),稱為安裝力矩靈敏度。

●特殊環(huán)境的響應(yīng)

在強(qiáng)靜電場、交變磁場、射頻場、聲場、電纜影響、核輻射等的特殊環(huán)境下,某些傳感器會受到嚴(yán)重的影響,這些物理因素將引起傳感器產(chǎn)生亂真響應(yīng)。

加速度傳感器選型指南

輸出型式

這個是最先需要考慮的。這個取決于你系統(tǒng)中和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的,比如2.5V對應(yīng)0g的加速度,2.6V對應(yīng)于0.5g的加速度。數(shù)字輸出一般使用脈寬調(diào)制(PWM)信號。

如果你使用的微控制器只有數(shù)字輸入,比如BASIC Stamp,那你就只能選擇數(shù)字輸出的加速度傳感器了,但是問題是你必須占用額外的一個時鐘單元用來處理PWM信號,同時對處理器也是一個不小的負(fù)擔(dān)。

如果你使用的微控制器有模擬輸入口,比如PIC/AVR/OOPIC,你可以非常簡單的使用模擬接口的加速度傳感器,所需要的就是在程序里加入一句類似"acceleration=read_adc()"的指令,而且處理此指令的速度只要幾微秒。

測量軸數(shù)量

對于多數(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(diǎn)。

最大測量值

如果你只要測量機(jī)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(jī)器人的動態(tài)性能,±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機(jī)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。

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。最小加速度測量值也稱最小分辨率,考慮到后級放大電路噪聲問題,應(yīng)盡量遠(yuǎn)離最小可用值,以確保最佳信噪比。最大測量極限要考慮加速度計(jì)自身的非線性影響和后續(xù)儀器的最大輸出電壓,估算方法:最大被測加速度×傳感器的電荷 / 電壓靈敏度。

以上數(shù)值是否超過配套儀器的最大輸入電荷 / 電壓值,建議如已知被測加速度范圍可在傳感器指標(biāo)中的“參考量程范圍”中選擇(兼顧頻響、重量),同時,在頻響、重量允許的情況下,靈敏度可考慮高些,以提高后續(xù)儀器輸入信號,提高信噪比。

帶寬

這里的帶寬實(shí)際上指的是刷新率。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(jìn)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。

電阻/緩存機(jī)制

對于有些微控制器來說,要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化,其連接的傳感器阻值必須小于10kΩ。比如加速度傳感器的阻值為32kΩ,在PIC和AVR控制板上無法正常工作,所以建議在購買傳感器前,仔細(xì)閱讀控制器手冊,確保傳感器能夠正常工作。

累積誤差

加速度傳感器通過在一個時間段內(nèi)測量一次加速度,然后根據(jù)以前累積下來的速度(包括速率和方向)和位置,計(jì)算前一段時間的總位移和終點(diǎn)速度。如此反復(fù)計(jì)算就可以得到結(jié)果。

很明顯,取樣時間縮短,精度會提高。但這會受到一些技術(shù)限制,比如計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度跟不上;加速度傳感器本身存在響應(yīng)時間等等。此外,由于速度和位置總是累加的,這就存在累積誤差,時間長了,總的精度就下降得很大。

安裝注意事項(xiàng)

加速度傳感器的自然頻率由粘接的耦合程度決定,選擇正確的粘合劑將是很重要的一步。有些重要的問題是必須要考慮的是:加速度傳感器的重量,測試時的頻率和帶寬,測試時的振幅和溫度。還要考慮一些測試過程中會出現(xiàn)的問題:正弦曲線的受限和測試中出現(xiàn)的隨機(jī)振動。通常,工程師和技師將會根據(jù)測試不同的需求選擇合適的粘接劑來粘接加速度傳感器。

 加速度傳感器的粘接安裝用到的粘接劑,一般有氰基丙烯酸鹽,磁鐵,雙面膠帶,石蠟,熱粘接劑等。問題的關(guān)鍵在于如何能夠有效的使用這些粘接劑。在加速度傳感器的粘接過程中,粘合劑的使用量對在加速度傳感器能否達(dá)到良好的頻率響應(yīng)中起到很關(guān)鍵的作用。在一塊小的薄膜上盡可能的用最少的粘接劑粘接加速度傳感器,將會使得加速度傳感器頻率響應(yīng)傳送性最好。

在安裝傳感器之前要用碳?xì)浠先芤簛砬鍧嵠湟惭b的表面,在安裝傳感器的時候通常要用到氰基丙烯酸鹽, 磁鐵,雙面膠帶,石蠟,將其均勻地涂抹在粘接加速度計(jì)被粘表面,不能太厚或太薄,合適的厚度會起到良好的粘接效果。熱粘接劑的使用有很多的注意事項(xiàng),最重要的是要注意安裝過程中熱粘接劑的凝固時間。
 當(dāng)然我們用粘接安裝時需要注意的是在接近最大極限溫度時最好不要用粘接劑,應(yīng)該延遲一段時間再使用,否則會使粘接劑本身被損壞,導(dǎo)致粘接劑抗拉強(qiáng)度降低。無論如何當(dāng)我們要用粘接法安裝加速度傳感器時所有極限因素都要考慮進(jìn)去。同樣,以上加速度傳感器的安裝只是針對大部分情況而言,一些特殊設(shè)備上測量加速度需要用到最合適的傳感器安裝方式。

前景預(yù)測

咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示,2008年全球傳感器市場容量為506億美元,預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示,東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū),而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言,傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場,占第二位的是過程控制市場,看好通訊市場前景。

一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大,分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中,無線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)會超過25%。

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)上予以延伸和提高,各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場,比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴(kuò)大。

電容傳感器有望有一個強(qiáng)勁的增長,2004年后增長將會更快,估計(jì)從1997年到2007年綜合年增長率為5.9%,其中最高可達(dá)33.2%,其市值2000年為0.75億美元,到2007年將達(dá)到1.1億美元。來自歐洲和北美洲的汽車業(yè)和工業(yè)用戶是這些產(chǎn)品的主要購買者。2000年的市場上北美占40.4%,歐洲占48.9%。

汽車行業(yè)使用電容式傳感器主要用于安全系統(tǒng)、輪胎磨損監(jiān)測、慣性剎車燈、前燈水準(zhǔn)測量、安全帶伸縮、自動門鎖和安全氣囊。對于設(shè)計(jì)人員來說,電容式傳感器是非常有吸引力的,因?yàn)樗鼰o需接觸待測物,所以不必?cái)D進(jìn)狹窄的空間中。

最新發(fā)展

隨著智能手機(jī)等的普及,要求設(shè)備具備更高的功能和可設(shè)計(jì)性,在這種情況下,對組件的高度集成化和小型化的需求強(qiáng)勁。另外,高性能化導(dǎo)致電池的消耗增加,因此,對于搭載在設(shè)備上的各種元器件,要求具備更低的功耗。

業(yè)界最小尺寸的加速度傳感器最高分辨率達(dá)到14bit,具有低功耗、 耐沖擊性高及可編程的待機(jī)喚醒功能,能夠進(jìn)行傾斜檢測、運(yùn)動檢測等;而另外一款高性能、低功耗、低成本、低噪音的加速度傳感器具有高穩(wěn)定性,最高分辨率達(dá)4bit的特點(diǎn),可高精度傾斜檢測、運(yùn)動檢測等,此兩種設(shè)備主要應(yīng)用于智能手機(jī)、平板/筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)及其他小型民生設(shè)備。

智能手機(jī)和游戲機(jī)等具有更多感官性運(yùn)動的設(shè)備操作需求高漲,另外,出現(xiàn)了智能電視用的運(yùn)動遙控等新需求。在這些運(yùn)動檢測中,使用了歷來使用的加速度傳感器,還增加了陀螺儀,提高了操作感受。

小型封裝陀螺儀采用FIFO緩沖區(qū),可減少來自微控制器的訪問頻率,具備旋轉(zhuǎn)運(yùn)動檢測功能。而隨著加速度傳感器、陀螺儀進(jìn)一步普及,同時在小型設(shè)備中使用案例日益增加。單芯片化以及在1個系統(tǒng)的通信接口一起使用2個傳感器的需求不斷增加。

小型封裝的3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀的復(fù)合傳感器的漸漸出現(xiàn),不但具有以上小型封裝陀螺儀的各種特點(diǎn)和功能,同時還擁有業(yè)界領(lǐng)先的低耗電量,僅為4mA。他們多應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、遙控器、PND及其他小