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加速度传感器

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  • 发布时间:2016/1/11 16:36:22
  • 作者:ly_yinhe
定义
加速度传感器是指能够感受加速度并转换成可用输出信号的传感器。
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加速度传感器原理

  加速度:(Acceleration)是速度变化量与发生这一变化所用时间的比值(△V/△t),是描述物体速度改变快慢的物理量,通常用a表示

a=F/m

  加速度只和施加在物体上合力F,和物体的质量有关,与速度和时间无关。只需测量作用力F就可以得到已知质量物体的加速度。利用电磁力平衡这个力,就可以得到作用力与电流(电压)的对应关系,通过这个的原理来设计加速度传感器

  多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。

  一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化成电压输出。当然,还有很多其它方法来制作加速度传感器,比如压阻技术、电容效应、热气泡效应谐振式、隧穿式等,但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形,通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

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加速度传感器技术指标

01量程

  比如测量车辆运动只需几十个g量程,但是测量武器系统的侵彻指标,就需要传感器的量程达10万g甚至更大。

02灵敏度

  一般来说,越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感,输出电压的变化也越大,这样就比较容易测量,从而获得更精确的测量值。

03带宽

  主要指传感器可测量的有效频带。对于一般只要测量倾角的应用,50HZ的带宽应该足够了,但是对于需要进行动态性能,比如振动,你会需要一个具有上百HZ带宽的传感器。

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加速度传感器分类

01压电式加速度传感器

  压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力,压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。

  压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单,商业化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

02压阻式加速度传感器

  应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥,其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。

  在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高,测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性,但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大,实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面,大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力,但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。

03电容式加速度传感器

  电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。

  电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点,尤其是受温度的影响比较小;但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,受电缆的电容影响,以及电容传感器本身是高阻抗信号源,因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量,其通用性不如压电式加速度传感器,且成本也比压电式加速度传感器高得多。

04伺服式加速度传感器

  伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统,具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理,传感器的振动系统由“m-k”系统组成,与一般加速度计相同,但质量m上还接着一个电磁线圈,当基座上有加速度输入时,质量块偏离平衡位置,该位移大小由位移传感器检测出来,经伺服放大器放大后转换为电流输出,该电流流过电磁线圈,在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力,力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上,所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用,增强了抗干扰的能力,提高测量精度,扩大了测量范围,伺服加速度测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中,在高精度的振动测量和标定中也有应用。

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加速度传感器的选择

01模拟输出/数字输出

  这个是最先需要考虑的,这个取决于系统中和加速度传感器之间的接口。

02测量轴数量

  对于多数项目来说,两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用,比如UAV,ROV控制,三轴的加速度传感器可能会适合一点。

03最大测量值

  如果你只要测量机器人相对于地面的倾角,那一个±1.5g加速度传感器就足够了。但是如果你需要测量机器人的动态性能,±2g也应该足够了。要是你的机器人会有比如突然启动或者停止的情况出现,那你需要一个±5g的传感器。

04灵敏度

  一般来说,越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感,输出电压的变化也越大,这样就比较容易测量,从而获得更精确的测量值。

05带宽

  这里的带宽实际上指的是刷新率。也就是说每秒钟,传感器会产生多少次读数。对于一般只要测量倾角的应用,50HZ的带宽应该足够了,但是对于需要进行动态性能,比如振动,你会需要一个具有上百HZ带宽的传感器。

06电阻/缓存机制

  对于有些微控制器来说,要进行A/D转化,其连接的传感器阻值必须小于10kΩ。比如加速度传感器的阻值为32kΩ,在PIC和AVR控制板上无法正常工作,所以建议在购买传感器前,仔细阅读控制器手册,确保传感器能够正常工作。


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