压阻式加速度传感器
传感器的分类和原理
一传感器的分类1、按被测量（或传感器的用途）分类如被测量为温度、压力、流量、位移、速度等时，则感应的传感器分别称为温度传感器等…还有热量、比热容，压差、力、力矩、应力、质量、振幅、频率、加速度、噪声、浓度、粘度、密度、相对密度、酸碱度、颜色、透明度等等，其相应的传感器一般以被测量命名。
2、按工作原理分类传感器的工作原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。
可分为电阻式、电感式、电容式、电抗式、磁电式、热电式、压电式、光电式（包括红外线式和光导纤维式）、谐振式、霍尔式、超声式、同位素式、电话学式、微波式等。
3、按输出信号的性质分类可将其分为模拟传感器和数字传感器两大类前者输出模拟信号，如果要与计算机连接，则需要引入模/数转换环节，而后者则不需要。
数字传感器一般将被测量转换成脉冲、频率或二进制数码输出，抗干扰能力强。
二传感器原理及应用1、电阻式传感器：是一种能把非物理量（如位移、力、压力、加速度、扭矩等）转换成与之有确定对应关系的电阻值，再经过测量电桥转换成便于传送和记录的电压（电流）信号的一种装置。
它具有结构简单、输出精度高、线性和稳定性好等特点。
它种类较多，主要有变阻器式、电阻应变式和固态压阻式等三种。
前两种采用的敏感元件是弹性敏感元件，传感器元件分别是电位器和电阻应变片；而压阻式传感器的敏感元件和传感元件均为半导体（如硅）。
2、变阻器式传感器结构简单，输出信号功率大、被测量与转换量间容易实现线性或其他所需要的函数关系。
3、应变式传感器目前用于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数，是使用最广泛的传感器之一。
应变效应：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为应变效应。
用来产生应变效应的细导体称为应变丝（敏感栅）应用在称重与测力领域，一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。
压阻式传感器
4.兵器上的应用
由于固有频率高，动态响应快，体积小等特点，压阻式压力传感器适合测量 枪炮膛内的压力。测量时，传感器安装在枪炮的身管上或装在药筒底部。另 外，压阻式传感器也用来测试武器发射时产生的冲击波。
此外，在石油工业中，硅压阻式压力传感器用来测量油井压力，以便分析油 层情况。压阻式加速度计作为随钻测向测位系统的敏感元件，用于石油勘探 和开发。在机械工业中，可用来测量冷冻机、空调机、空气压缩机、燃气涡 轮发动机等气流流速，监测机器的工作状态。在邮电系统中，用作地面和地 下密封电缆故障点的检测和确定，比机械式传感器精确和节省费用。在航运 上，测量水的流速，以及测量输水管道，天然气管道内的流速等。
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力 敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导 体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上 用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压 阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线， 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
3. 扩散型压阻式压力传感器
在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅 的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。 硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻 系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但是有时 还是不够。因此为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装） 薄的硅膜上，让硅膜起一个放大作用。
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
传感器分类
电阻式传感器：基本原理：是将被测的非电量转化成电阻值的变化，在通过转换电路变成电压或电流输出的一类传感器，通过测量电阻值变化达到测量非电量的目的。
应用：测量力、压力、位移、应变、加速度、温度等非电量参数，还适合动态测量。
应变式传感器：是一种具有较长应用历史的传感器，包括应变式加速度传感器，其工作原理：在应变梁的一段固定惯性质量块，梁的上下粘贴应变片，传感器内腔充满硅油，以产生必要的阻尼。
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接。
当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，产生的惯性力与加速度成正比。
惯性力的大小由梁上的应变片测出。
限位块使传感器过载时不被破坏。
应用：常用于低频振动测量中，被广泛应用于工程测量和科学实验中。
应变式传感器优点：其具有尺寸小、重度轻、结构简单、使用方便、响应速度快等。
这种传感器一般由弹性元件和电阻应变片构成，工作时利用金属弹性元件的电阻应变效应，将被测物变形转换成电阻变化。
压阻式传感器：包括压阻式加速度传感器，其工作原理：采用单晶硅作悬臂梁，在其近根部扩散四个电阻。
当梁的自由端的质量块收到加速度作用时，在梁上收到弯矩和应力，受电阻值发生变化。
电阻相对变化与加速度成正比。
有四个电阻组成的电桥将产生与加速度成正比例电压输出。
在设计时，恰当地选择传感器尺寸及阻尼系数，则可用来测量低频加速度与直线加速度。
压阻式传感器优点：灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。
缺点：压阻式传感器多由半导体材料构成，由于半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
应用：主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
电感式传感器：利用线圈自感或互感的变化，实现测量的一种装置。
其核心部分是可变自感或可变互感，再将被测量转化成线圈自感或线圈互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。
工作原理：把被测位移转换成线圈的自感或互感的变化，从而实现测量的一类传感器。
压阻式加速度传感器对ADC的要求
压阻式加速度传感器对ADC的要求为具体应用选择适当的压阻式加速度传感器取决于待测温度范围和所需的精度。
系统精度取决于压阻式加速度传感器的精度和对传感器的输出数字化的模数转换器(ADC)的性能。
多数情况下，由于传感器信号非常微弱，因此需要高分辨率ADC。
ΣΔADC具有高分辨率，并且这种ADC通常包含温度测量系统所需的内置电路，例如激励电流源。
本文主要介绍可以利用的温度传感器[热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻器与热敏二极管]和连接传感器与ADC所需的电路，以及对ADC的性能要求。
热电偶热电偶由两种不同类型的金属组成。
当温度高于零摄氏度时，在两种金属的连接处会产生温差电压，电压大小取决于温度相对于零摄氏度的偏差。
热电偶具有体积小、工作温度范围宽等优点，非常适合恶劣环境中的极高温度(高达2300℃)测量。
但是，热电偶的输出为mV级，因此需要经过精密放大才能作进一步处理。
不同类型热电偶的灵敏度也不一样，一般仅为每摄氏度几mV，因此需要高分辨率、低噪声ADC。
图1给出利用3通道、16/24位AD7792/AD7793ΣΔADC的热电偶系统。
其片内仪表放大器首先对热电偶电压进行放大，然后通过ADC对放大的电压信号进行模数转换。
热电偶产生的电压偏置在地电平附近。
片内激励电压源将其偏置到放大器线性范围以内，因此系统能够利用单电源工作。
这种低噪声、低漂移、片内带隙基准电压源，能够确保模数转换的精度，从而保证整个温度测量系统的精度。
电阻温度探测器电阻温度探测器的电阻随着温度变化而变化。
电阻温度探测器的常用材料是镍、铜、铂，其中电阻在100Ω~1000Ω之间的铂电阻温度探测器是最常见的。
电阻温度探测器适用于在-200℃~+800℃的整个温度范围内具有接近线性响应的温度测量。
一只电阻温度探测器包括3根或4根导线。
热敏电阻器热敏电阻器的电阻也随着温度的变化而变化，但是其精度不如电阻温度探测器。
热敏电阻通常使用单电流电源。
20种身边常见的传感器
20种身边常见的传感器1、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
2、变频功率传感器变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入二次仪表相连，数字量输入二次仪表对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。
3、称重传感器称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。
能够实现力→电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。
4、电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
5、压阻式压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
6、热电阻传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
7、激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
8、霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较
应变式、压阻式、压电式传感器特性比较1．应变式传感器应变式传感器是把力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随力所产生的应变而变化。
应变效应是导体受机械变形时，其电阻值发生变化的现象。
2．压阻式传感器压阻式传感器的灵敏度比金属丝式应变片的灵敏度高，其精度好，而且响应频率好，工作可靠。
缺点是受温度影响较大，应进行温度补偿压阻效应是物质受外力作用发生变形时，其电阻率发生变化的现象。
3．压电式传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。
压电式压力传感器不能用作静态测量，一般用于测量脉动压力，不能测量静压力；压电传感器产生的信号很弱而输出阻抗很高，必须根据压电传感器的输出要求，将微弱的信号经过电压放大或电荷放大（一般是电荷放大），同时把高输出阻抗变换成低输出阻抗，此信号才能被示波器或其他二次仪表接受。
压电式传感器与压阻式传感器的区别及其优缺点前边的那个受电场的干扰，后边那个受温度的干扰，看你用在那个场合。
前者的原理是压电效应，后者原理是受力后的应变。
前者的缺点是电荷泄露，优点是结构简单，灵敏度和信噪比高。
后者的缺点是信噪比不高，而且结构比前者复杂，优点是便宜，耐用，频率响应好。
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。
压电式传感器：基于压电效应的传感器。
是一种自发电式和机电转换式传感器。
无人机传感器技术 压阻式加速度计-测量原理与温度补偿
压阻式加速度计-测量原理与温度补偿
2.测量原理
在膜片上布置如图2-15所示的4个等值电阻。
利用纵向应力σr ，其中两个电阻R 2、R 3处于r <0.635r 0位置，使其受拉应力；而另外两个电阻R 1、R 4处于r >0.635r 0位置，使其受压应力。
图2-15 膜片上电阻布置图
只要位置合适，可满足
44113322R R -R R -R R R R ∆=∆=∆=∆ (2-38)
这样就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。
3.温度补偿
压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。
这是因为，在压阻式传感器中，扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。
当温度升高时，压阻系数减小，则传感器的灵敏度要减小；反之，灵敏度增大。
零位温度一般可用串联电阻的方法进行补偿，如图2-16所示。
图2-16 温度补偿电路
串联电阻R S主要起调零作用，并联电阻R p则主要起补偿作用。
例如，温度上升，R2的增量较大，则A点电位高于C点电位，V A-V C就是零位漂移。
在R2上并联负温度系数的阻值较大的电阻R p，则可约束R2变化，从而实现补偿，以消除此温度差。
当然，如果在R3上并联一个正温度系数的阻值较大的电阻也是可行的。
在电桥的电源回路中串联的二极管电压是补偿灵敏度温漂的。
二极管的PN结为负温度特性，温度升高，压降减小。
这样，当温度升高时，二极管正向压降减小，因电源采用恒压源，则电桥电压必然提高，使输出变大，以补偿灵敏度的下降。
加速度传感器
•输出偏压： 8-12VDC
•恒定电流： 2-20mA， 典型值：4mA
•输出阻抗： ＜150Ω
•激励电压： 18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围： - 40～+120℃
•放电时间常数：≥0.2秒
•壳绝缘电阻： ＞ Ω
•安装力矩： 约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸： 六方17mm、高度24.5或31mm
电 荷 灵 敏 度 p C / g
率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H z
安 装 谐 振 点 k H z
横 向 灵 敏 度
%
值 线 性 ( ± 1 0 % ）
g
质 量 g m
使 用 温 度 范 围 ℃
安
装内
螺 部 用频
纹 m m
型 号
结 构电 荷 灵 敏 度 p C / g
途率 范 围 ( ± 1 0 ％ ) H
加速度传感器
完整版
综述
加速度传感器在工业生产、科研、航空航天 等领域中有着重要的应用。其中按照被测量 可以被分为角加速度传感器和 线加速度传感 器。根据敏感元件分有应变式 加速度传感器、 压阻式加速度传感器及压电式加速度传感器。 而随着科学技术的发展，智能化加速度传感 器也已经走进了我们的视野。
一 压电式加速度传感器
频率响应特性
►低频响应特性：下限频率一般为-10%左右频 响。主要由压电芯片和传感器的基座应变和 热释电效应等环境特性决定。应变加速度传 感器具有响应静态信号的特性。
►高频响应特性：上限频率一般为10%左右频 响。大约为安装谐振频率的1/3。如果要求上 限频率误差为+5%，大约为安装频率的1/5。 如果采用适当的校正系数，在更高的频率范 围也能够得到可靠的测试数据。
5常用传感器变换原理
5常用传感器变换原理传感器是指能够将各种非电气量转换为电信号的装置。
它们在工业、医疗、环境、交通等领域都发挥着重要作用。
下面将介绍5种常用传感器的变换原理。
1.温度传感器温度传感器是最常见的传感器之一，它们常用于测量环境温度、物体表面温度等。
温度传感器的变换原理一般基于热电效应、温度敏感电阻或热敏电阻等。
其中，热电效应是指当两个金属导体形成闭合回路时，其回路中存在温度梯度时将产生一个电动势，利用这一现象可以测量温度。
温度敏感电阻或热敏电阻则是利用电阻值随温度变化的特性来实现温度测量。
2.压力传感器压力传感器常用于测量气体或液体的压力。
压力传感器的变换原理主要分为电容式、电阻式和压阻式。
其中，电容式压力传感器利用介电体的电容随压力变化来进行测量；电阻式压力传感器则是利用电阻材料的电阻值随压力变化来实现测量；压阻式压力传感器则是利用半导体材料的电阻值随压力的变化而变化。
3.光电传感器光电传感器主要用于检测光的存在、光的强度等。
光电传感器的变换原理主要包括光敏电阻式、光敏二极管式和光电管式。
光敏电阻式光电传感器利用光的照射会改变电阻值的特性，从而检测光的存在；光敏二极管式光电传感器则是利用光照射后会产生电流的特性来实现检测；光电管式光电传感器则是利用光照射后会产生电离的特性来实现光的检测。
4.加速度传感器加速度传感器主要用于检测物体的加速度。
加速度传感器的变换原理一般基于质量的作用力或物理效应来实现。
常见的变换原理包括压电效应、电容式加速度传感器和微机电系统（MEMS）加速度传感器。
压电效应加速度传感器利用物体受到作用力后产生的压电效应来进行测量；电容式加速度传感器则是利用加速度变化时电容值的变化来实现测量；MEMS加速度传感器则是利用微机电系统技术制作的传感器来测量物体的加速度。
5.湿度传感器湿度传感器主要用于测量环境或物体的湿度。
湿度传感器的变换原理主要包括电容式、电阻式和共振式。
其中，电容式湿度传感器利用介质的相对湿度会影响电容值的特性来进行测量；电阻式湿度传感器则是利用电阻材料的电阻值随湿度变化的特性来实现测量；共振式湿度传感器则是利用湿度对振荡电路频率的影响来进行测量。
加速度传感器及压电式传感器应用
加速度传感器及压电式传感器应用摘要：加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。
通过加速度的测量，本文简单介绍了加速度传感器的种类、原理及相关应用并着重介绍了压电式加速度传感器。
关键词：加速度，传感器，应用一加速度传感器概况加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量，加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。
测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路进行的，在(1～64)Hz的设备频率下典型的加速度测量范围为(0．1～10)g。
加速度传感器的种类繁多，依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。
多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，当输入加速度时，加速度通过质量块形成的惯性力加在压电材料上，压电材料产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大后就可检测出加速度大小。
下表为部分加速度计的检测方法及其主要性能特点。
(~(~(~(~(~~((~部分加速度计的检测方法及其主要性能特点从测量维数上来看，单维的加速度传感器技术比较成熟，绝大多数加速度传感器为一维型(单轴)，而微惯性系统以及其他～些应用场合常常需要双轴或者三轴的加速度传感器来检测加速度矢量，目前市场上有越来越多的产品应用了双轴以及三轴加速度传感器。
如美国美新半导体有限公司(MEMSIC)开发出了用于车身控制的双轴加速度传感器，该产品的特点是没有机械可动部分，而且产品供货后的故障发生率一直控制在一位数多的ppm值。
传感器工作原理
传感器工作原理传感器是一种用于检测、测量和感知环境中各种物理量的装置。
它们广泛应用于各个领域，包括工业自动化、医疗设备、汽车、航空航天等。
传感器的工作原理是通过感知环境中的物理量，将其转化为电信号或者其他形式的信号，以便进行测量、控制或者监测。
传感器的工作原理可以有多种方式，下面将介绍几种常见的传感器工作原理。
1. 压阻式传感器压阻式传感器是一种将受力或者受压变化转化为电阻变化的传感器。
它通常由一个感受受力或者受压的灵敏元件和一个测量电路组成。
当感受到受力或者受压时，灵敏元件的电阻值发生变化，测量电路通过测量电阻值的变化来得知受力或者受压的大小。
2. 光电传感器光电传感器利用光的物理特性来检测目标物体的存在、位置或者其他属性。
它包括一个光源和一个光敏元件。
光源发出光线，光线被目标物体反射或者透过后，被光敏元件接收。
根据接收到的光的强度或者其他特征，可以判断目标物体的属性。
3. 温度传感器温度传感器是用于测量环境或者物体温度的传感器。
常见的温度传感器有热电偶和热敏电阻。
热电偶利用两种不同金属的热电效应来测量温度，而热敏电阻则利用材料的电阻随温度变化的特性来测量温度。
4. 加速度传感器加速度传感器用于测量物体的加速度或者振动。
它通常包括一个质量块和一个测量装置。
当物体加速或者振动时，质量块会受到力的作用而发生位移，测量装置通过测量位移的变化来得知加速度或者振动的大小。
5. 气体传感器气体传感器用于检测环境中的气体浓度或者其他气体属性。
常见的气体传感器有气敏电阻和化学传感器。
气敏电阻利用材料的电阻随气体浓度变化的特性来测量气体浓度，而化学传感器则利用化学反应与目标气体之间的作用来测量气体属性。
以上只是几种常见的传感器工作原理，实际上还有不少其他类型的传感器，每种传感器都有其特定的工作原理。
传感器的选择取决于应用的需求和环境条件。
通过合理选择和使用传感器，可以实现对环境和物体的准确感知和控制。
压阻式传感器
（4）压阻式传感器的应用
压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力 传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化， 已有直径为0.8mm的压力传感器。
➢ 恒流工作测压电路
传感器为需恒流1.5mA驱 动的扩散硅绝对压力传感器。
当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的 电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片 所受压力差值。
(a)为扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。
（3）压阻式传感器的温度漂移
由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化 影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移。
半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载 流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。
❖ 半导体应变片的制作方法
1. 将半导体材料按所需晶向切割成片或条，
粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅
使用，称作“体型半导体应变片”。
2. 将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄 的导电P型层，焊上引线即成应变片称作 “扩散硅应变片”。
（1）半导体的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理 （3）压阻式传感器的温度漂移 （4）压阻式传感器的应用
（1）半导体材料的压阻系数
材料电阻的变化为
R 1 2
R
对半导体材料， 1 2 ，几何尺寸变化（机械变形）引起的电阻变化
可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即 R
❖ 半导体电阻应变片的测量电路
一般采用直流电桥电路，但须 采用温度补偿措施，如图所示。
压阻式传感器
压阻式传感器
一、 压阻式传感器的工作原理
由前述可知，压阻效应的数学描述可用公式表示如下：
R R
（1-25）
式中，π是压阻系数，是表征固态材料压阻效应的特性参数。不同
材料的压阻系数不同，而且各向异性的同一材料在不同方向其压阻系数
也各不相同，所以有
R R
r r
tt
（1-26）
式中，σr、σt分别为纵向应力和横向应力（切向应力）；πr为纵向
压阻式传感器
图1-16所示为一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传 感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和 控制汽车发动机的性能及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵 器方面的测量。
图1-16 脑压传感器结构图
压阻式传感器
1. 扩散型压阻式压力传感器
扩散型压阻式压力传感器属于半导体应变片传感器，它是直 接在硅弹性元件上扩散出敏感栅，而不是用黏结剂将敏感栅粘贴 在弹性元件上。
压阻式传感器
由于闭环压阻式加速度 传感器采用力平衡工作方式 弹性硅梁没有过大的挠度， 因而有利于提高动态频响特 性和改善线性。它还具有自 检功能。闭环压阻式加速度 传感器的特点是精度高，动 态范围大，结构复杂，质量 和尺寸都相对较大，成本也 较高。
图1-18 闭环压阻式加速度传感器结构原理图 1—硅梁组件； 2—力矩器线圈； 3—壳体； 4—下磁路组件； 5—插头座； 6—压阻电桥； 7—力矩器磁钢
图1-17（a）所示为扩散型压阻式压力传感器的结构简图， 其核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设置四 个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆 环（硅环）固定，如图1-17（b）所示。膜片的两边有两个压力 腔，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔，一般 与大气相通。
加速度传感器
加速度传感器————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:加速度传感器一、简介加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。
通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。
传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。
根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
二、分类压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应,在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压阻式基于世界领先的MＥMＳ硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。
电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。
在某些领域无可替代,如安全气囊，手机移动设备等。
电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统(ＭEＭS）工艺，在大量生产时变得经济,从而保证了较低的成本。
伺服式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。
加速度传感器原理
加速度传感器原理加速度传感器是一种用于测量物体加速度的设备，常用于运动控制、自动导航、动态平衡等领域。
本文将介绍加速度传感器的工作原理和常见类型。
一、工作原理加速度传感器利用物体在加速度作用下产生的惯性力来测量加速度。
其基本原理是根据牛顿第二定律，物体的加速度与施加在其上的力成正比，且与物体的质量成反比。
因此，加速度传感器通过测量物体所受到的惯性力来间接测量物体的加速度。
二、常见类型1. 电容式加速度传感器电容式加速度传感器是最常见的一种类型。
其工作原理基于平行板电容的变化。
当传感器受到加速度作用时，加速度传感器内部的微小质量块会发生位移，从而改变两个平行电极之间的电容值。
通过测量电容变化，可以得到加速度的信息。
2. 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器是利用压阻效应来测量加速度的。
它的工作原理是在传感器内部放置一块压阻式材料，当受到加速度作用时，压阻材料产生变形，从而改变电阻值。
通过测量电阻的变化，可以得到加速度的信息。
3. 压电式加速度传感器压电式加速度传感器是利用压电效应来测量加速度的。
它的工作原理是在传感器内部放置一块压电晶体，当受到加速度作用时，晶体会产生电荷，从而产生电压差。
通过测量电压差的变化，可以得到加速度的信息。
三、应用领域加速度传感器广泛应用于各个领域，包括但不限于以下几个方面：1. 运动控制加速度传感器可用于运动控制领域，通过监测加速度的变化来实现精确的位置控制和运动控制。
2. 自动导航加速度传感器在自动导航系统中起着重要作用。
利用加速度传感器可以确定物体的位置、速度和方向，并配合其他传感器实现自动导航。
3. 动态平衡加速度传感器可用于动态平衡系统中，通过监测物体的加速度变化来调整平衡控制，从而实现动态平衡。
四、总结加速度传感器是一种用于测量物体加速度的重要设备，其工作原理基于物体的惯性力。
常见的加速度传感器类型包括电容式、压阻式和压电式传感器。
该传感器广泛应用于运动控制、自动导航、动态平衡等领域，为相关系统的运行和控制提供了重要的数据支持。
压阻式加速度传感器简介
压阻式加速度传感器简介结构与原理压阻式加速度传感器的结构原理如下图所示，一质量块固定在悬臂梁的一端，而悬臂梁的另一端固定在传感器基座上，悬臂梁的上下两个面都贴有应变片并组成惠斯通电桥，质量块和悬臂梁的周围填充硅油等阻尼液，用以产生必要的阻尼力。
质量块的两边是限位块，它们的作用是保护传感器在过载时不致损坏。
被测物的运动导致与其固连的传感器基座的运动，基座又通过悬臂梁将此运动传递给质量块。
由于悬臂梁的刚度很大，所以质量块也会以同样的加速度运动，其产生的惯性力正比于加速度大小。
而此惯性力作用在悬臂梁的端部使之发生形变，从而引起其上的应变片电阻值变化。
在恒定电源的激励下，由应变片组成的电桥在就会产生与加速度成比例的电压输出信号。
MEMS压阻式加速度传感器随着微机电技术的发展，如今大多数压阻式加速度传感器都是采用的MEMS结构，即整个传感器的核心部件（质量块、悬臂梁和支架）都是由一个单晶硅蚀刻而成，直接在硅悬臂梁的根部扩散出电阻并形成惠斯通电桥。
MEMS压阻式加速度传感器与上文介绍的应变片式加速度传感器相比，除了体积小、坚固性好之外，还有灵敏度高的优点。
这主要是因为两者电阻变化的原理不同：应变片中的金属丝或金属箔在受力时其形状发生了变化，所以引起了电阻值小幅的改变；而硅材料在受力时，除了其形状发生变化外，更重要的是其材料特性发生了大的变化，所以引起了电阻值大幅的改变。
一个典型的金属丝或箔式应变计的应变系数大约是2.5，而硅材料的应变系数可达100。
另外，采用MEMS的加工技术，可以在同一硅片上制造出悬臂梁阵列（见下图），这就进一步提高了传感器的灵敏度、可靠性等。
特点与应用压阻式加速度传感器的输出阻抗低，输出电平高，内在噪声低，对电磁和静电干扰的敏感度低，所以易于进行信号调理。
它对底座应变和热瞬变不敏感，在承受大冲击加速度作用时零漂很小。
压阻式加速度传感器的一个最大优点就是工作频带很宽，并且频率响应可以低到零频（直流响应），因此可以用于低频振动的测量和持续时间长的冲击测量，如军工冲击波试验。
压阻式加速度计原理
压阻式加速度计原理压阻式加速度计是一种常用的惯性传感器，它利用压阻效应测量加速度。
下面将详细介绍压阻式加速度计的工作原理及各个方面。
1.压阻效应压阻效应是指当材料受到压力作用时，其电阻值会发生改变的现象。
在压阻式加速度计中，敏感元件利用这种效应感受加速度，并将加速度转换成电信号输出。
2.敏感元件敏感元件是压阻式加速度计的核心部分，通常采用硅材料制作。
在敏感元件的表面加工出多个压敏电阻，当敏感元件受到加速度作用时，这些电阻的阻值会发生变化，从而产生与加速度成比例的电信号。
3.信号处理压阻式加速度计输出的电信号往往比较微弱，需要经过信号处理电路进行放大和滤波。
信号处理电路通常包括放大器、滤波器、电压跟随器等组件，以提高输出信号的幅度和稳定性。
4.温度补偿由于敏感元件的电阻值会受到温度的影响，因此需要在电路中进行温度补偿。
温度补偿通常采用热敏电阻或晶体管来实现，以减小温度变化对敏感元件的影响。
5.非线性校正由于敏感元件的输出信号与加速度之间存在非线性关系，因此需要进行非线性校正。
非线性校正通常采用电压反馈或电流反馈的方法实现，以使输出信号更好地拟合实际加速度值。
6.封装与安装压阻式加速度计需要进行封装和安装，以便能够正确地感应加速度。
封装材料应具有良好的稳定性和抗震性能，以保证测量精度。
安装方式也应根据实际应用场景进行选择，以确保测量结果的准确性。
7.数据处理与输出经过信号处理和温度补偿后的电信号，可以通过AD转换器将其转换为数字信号，再通过微处理器进行处理。
微处理器可以对数据进行滤波、运算和存储等处理，最后将加速度值通过接口或通信协议输出。
为了方便用户的使用，许多压阻式加速度计都配备了标准接口（如SPI、I2C等），用户可以通过这些接口轻松地与各种微控制器或计算机进行连接和通信。
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新型压阻式硅微加速度传感器1.新颖性压阻式硅微加速度传感器，因其具有响应快、灵敏度高、精度高、易于小型化等优点，尤其是它的低频响应好，并且该传感器在强辐射作用下能正常工作，对它的研究近年来受到重视。
在工业自动控制、汽车、地震测量、军事和空间系统、医学及生物工程等领域中有着广泛的应用前景。
在实际生活应用中往往传感器的灵敏度和量程很难做到二者兼优，为了更好地提高压阻式加速度传感器的灵敏度，新型压阻式加速度传感器的量程设计加以改进，利用静电力对其量程进行可调控制。
对于一个结构和几何参数确定的悬臂梁式加速度传感器的设计考虑主要在于：其敏感质量块的自由运动范围，制约着它的测量范围。
新型压租式硅微加速度传感器采用静电力来抵消部分加速度惯性力，使同样大小的质量块位移量能够代表更大或不同的被测加速度值，从而实现量程可调的目的。
2.传感器工作原理压阻效应半导体材料的压阻效应是指半导体材料受应力作用时，其电阻率发生变化的物理现象。
原因可以解释为：由应变引起能带变形，从而使能带谷中的载流子数也发生相对变化，导致电阻率变化。
由半导体电阻理论可知电阻率ρ的相对变化为επσπρρE L L /d == 式中， L π为沿晶向 L 的压阻系数，单位 /N m 2； σ为沿晶向 L 的应力，单位/N m 2 ；E 为半导体材料的弹性模量，ε为轴向应变。
压阻式加速度传感器工作原理压阻式加速度传感器的工作原理是：在测量物体加速度时是基于牛顿第二定律，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a =F/m 。
当物体以加速度运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形引起压阻效应，悬臂梁上半导体电阻阻值发生变化致使桥路不平衡，从而输出电压有变化，即可得出加速度a值的大小。
悬臂梁压阻式加速度计的传感原理悬臂梁压阻式加速度微传感器是通过将加速度产生的作用加到质量块上，并将质量块的移动通过压敏电阻来测量。
悬臂梁压阻式加速度微传感器的结构简化图如下所示。
悬臂梁压阻式加速度计结构简化图1—悬臂梁；2—扩散电阻；3—质量块；4—机座外壳当加速度作用于悬臂梁自由端质量块时，悬臂梁受到弯矩作用产生的应力而发生变形由于硅的压阻效应，各应变电阻的电阻率发生变化，电桥失去平衡，输出电压发生变化，通过测量输出电压的变化可得到被测量的加速度值。
新型悬臂梁压阻式加速度计量程改进的依据压阻式加速度计的工作原理是根据作用在弹性元件上的外力致使其发生形变，引起制作在弹性元件上的应变电阻受到应力其阻值改变，从而输出电信号发生变化。
在现有的MEMS 技术下，尤其是悬臂梁式加速度传感器，悬臂梁多采用硅材料或石英材料制作，悬臂梁结构比较适合于小量程传感器。
然而在实际工程中，往往悬臂梁会受到随时间变化的动载荷，甚至是瞬时冲击较大的载荷作用，虽然可以根据载荷作用前后的能量守恒原则，但是当应力超过材料的强度极限时，结构将发生断裂或屈服失效，特别是脆性材料多晶硅制成的悬臂梁在冲击或振动作用下很容易断裂失效。
此外，疲劳也将导致结构断裂，构件在交变应力的作用下，即使其应力小于断裂强度，在经过一定次数的交变应力之后也会发生脆性断裂。
为了使悬臂梁不被损坏，同时也为了满足不同荷载作用时加速度的准确测量，本文提出了用静电力来抵消部分惯性力，从而使得较小的质量块位移就能代表较大的加速度值，大大降低了梁的弯曲形变。
静电力调控基本原理如下式 F r =+F F e ，F 为敏感质量块受到的加速度惯性力；r F 悬臂梁弹性形变回复力； e F 为质量块所处的电容板间的电场力。
利用单片机实时调控电容极板间的静电力大小来抵消部分惯性力，最终使敏感质量块的位移距平衡位置的差距不会很大，进而保护了悬臂梁不会被折断或失效。
静电力平衡的原理静电力（electrostatic force ）是静止带电体之间的相互作用力。
平行板电容器两极板间的静电力可以看作是由许多点电荷构成的，每一对静止点电荷之间的相互作用力遵循库伦定律。
两个静止极板间的静电力就是构成它们的点电荷之间相互作用力的矢量和。
静电力是以电场为媒介传递的。
悬臂梁压阻式加速度计的静电力扩程系统，如下图所示：静电力调控系统原理图 在上图中，作为电容器活动极板的惯性敏感质量块由悬臂梁支撑，并夹在两个固 定极板之间，组成一对差动平行板电容器。
当有加速度a 作用时，活动极板将产生偏离0 位（即中间位置）的位移，引起电容变化。
变化量ΔC 由检测电路检测并放大输出，再由脉冲宽度调制器感受且产生两个调制信号E U 和E U ，并反馈到电容器定极板上，引起一个与偏离位移成正比且总是阻止活动极板偏离 0 位的静电力()()，x c/t 1/2U t F 2∂∂=这就构成了脉宽调制的静电伺服系统。
当外界有较大的荷载作用于敏感质量块时，悬臂梁因受应力而弯曲形变，为了使梁不受损坏，需要一个阻止质量块偏离 0 位的力来实现。
脉冲宽调制器产生的两个调制信号E U 和E U ，单片机控制的电子开关a 、b 与电容极板c 、d 触点的选择闭合，把E U 和E U 适时地加到电容极板上。
假设此时梁朝下弯曲，即下动极板与下固定极板间距 2d 减小Δd ，上动极板与上极板间距 1d 增加Δd ，在悬臂梁所能承受的形变范围内，d -d 2∆将有一个下限值（防止质量块与极板吸合），此时要求给下定极板上电，下定极板与下动极板间电场力方向与弹性力方向一致，这就必须由电子开关的选择闭合来实现。
随着所加驱动电压的增大，大部分惯性力将被抵消掉，从而使质量块偏离平衡位置的位移减小，悬臂梁弯曲程度大大减小；同理，当悬臂梁朝上弯曲形变，给上定极板上电，上定极板 与上动极板间的电场力增大，其方向与此时的弹性力方向相同，静电力抵消掉了增加的惯性力。
因此，质量块离开平衡位置的位移将减小，悬臂梁形变减小，从而有效地保护了悬臂梁。
3.加速度计的性能指标加速度计的性能指标主要有两个：灵敏度和固有频率。
灵敏度是在单位加速度激励下，加速度传感器输出响应（电压或电流）的大小。
一般情况下总是希望灵敏度越高越好，因为产生较大的电信号对后面的检测电路有利。
固有频率是指当悬臂梁没有受到外部力和力矩干扰时，产生的周期性振动频率，所以，固有频率是系统的固有属性，它与既定的系统有关，而与初始条件和运动状态无关。
实际应用当中，希望加速度计的第一阶固有频率越大越好，可以利用ANSYS 中的静态分析来考察加速度计在一定的加速度环境中，加速度计悬臂梁的应力和应变分布，使压敏电阻工作在弹性形变区域内，从而保证了悬臂梁压阻式加速度计的线性和精度。
加速度计的基本参数包括两类：结构参数和材料参数。
结构参数包括悬臂梁的厚度、长度、宽度、质量块的高度、质量、宽度等参数。
材料参数包括基底硅的杨氏模量、泊松比、密度。
悬臂梁压阻式加速度传感器的梁是采用硅材料制作的，测量电阻是利用扩散工艺法制成的半导体扩散电阻。
而扩散工艺涉及到掺杂离子的浓度，而温度又是影响掺杂离子浓度的一大因素。
掺杂离子浓度的变化导致电子迁移率发生变化，扩散电阻的阻值随之变化。
因此，必须考虑半导体材料温度特性对加速度传感器测量结果的影响。
敏感元件工作时随着环境温度的变化，其性能参数也会有所变化。
这种变化虽然微小，可是有时是不能忽略的，带来的误差需要采取有效的补偿措施。
4.硅微加速度传感器的应用情况及前景惯性导航和制导系统在导弹、飞机、航舰、战车等的导航制导系统中，必须要有准确的速度和位置信息，而加速度传感器可以在运动体内直接测量其加速度，进而得到速度和位置信息。
其测量精度高、动态性能好。
（1）倾斜测量与调平系统在重力场中，加速度传感器可以测量重力加速度变化。
当其敏感轴向垂直于水平面时，加速度传感器指示单位重力加速度，若敏感轴向发生倾斜，输出为倾斜角度的正弦函数。
利用这一原理，可以用作倾斜测量和调平，如火控炮瞄雷达、防空雷达的调平。
此外，还可通过测量火车、汽车的倾向加速度来控制倾斜角度，可使其在弯道上仍可高速行驶。
（2）安全防撞系统安全气囊是提高汽车行驶安全性的重要部件，通过对前撞、后撞或侧撞信息的检测，当出现可造成人生理伤害的加速度值时，便给出一个指令，使气囊迅速充气，这样就避免使乘员撞在坚硬的部件上而发生伤亡，大大提高了汽车的安全性。
（3）提高电梯、车辆等的舒适性通过测量纵向、横向及垂直加速度，改善车辆的控制和稳定性。
加速度传感器将测出车辆颠簸或路面不平引起的垂直加速度输入悬架控制系统，使颠簸得以降低，大大提高乘坐的舒适性。
（4）医疗器械心率响应式起搏器，它应用加速度微传感器检测心脏运动，然后用高级的信号处理技术将测得的加速度信号转换成适当的起博率，使起博率与病人身体活动量的大小成正比。
这种形式的起搏器不管是对小运动量的运动，还是对快速晃动那样的大运动量的运动，均能使心率缓慢地变化。
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