加速度传感器ppt课件

压
电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速
阻
度的测量。
式
加
速
度
传
感
器
原
理
图9 压阻式加速度传感器 原理图
;.
9
压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、4梁和双岛-5 梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频 响、量程等。质量 块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在 大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过 屈服应力，变形过大，致使悬 臂梁断裂。为此高gn值加速度拟采用质量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式， 压 如图所示。 阻 式 加 速 度 传 感 器 构 成
;.
21
基
于
加 速
LCD1602
度
传
感
器
的
计
步
器
按键
STC89C52单 片机
速度传感器 MMA7455
图一 系统硬件结构图
;.
22
;.
23
图二 单片机最小系 统
基 于 加 速 度 传 感 器 的 计 步 器
9 r e d a 123456789 1e PH C C 01234567456 C V ^^^^^^^^^^^ C 00000000222 V PPPPPPPPPPP 12345678901234567890 22222222233333333334 )))))))))))))) ))G P N C K2 01234576543210 89O P E C 1R 111111DDDDDDDD AAR V S V AAAAAAAAAAAAAA ((P / P (((((((((((((( 01/ A 23456776543210 ..E E .............. 22L 22222200000000 PPA PPPPPPPPPPPPPP 123 .01.. 01..334567 .P33PP.... 1)PP))3333 2 PX))01PPPP21 5 1 )E234567DdTT))))LL C D 22......TXXNN01RDAAD 9 TT111111SRTIITTWRTTN 8 ((PPPPPPR((((((((XXG 1T O UA D S / 01234567890 123456789 D CI 11111111112 N PD D G SS N // G LA CD SS F p M 03 K 2 1C 03 9 1R DC 5 NC 0 GV . 11 Y1 12 K11 1RS FF pp 3132 3C3C D N G
电 容 式 加 速 度 传 感 器 构 成
图16 电容式加速度传感器的
等效原理图
;.
14
电容式加速度传感器，具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于
1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输
出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。
图23 钻井
;. 图24 卫星天线
20
分类
压电式加速度 压阻式加速
传感器
度传感器
电容式 加速度 传感器
伺服式加速度 传感器
几 种
结构简单,价格便
加
宜，灵敏度高，
速 度 传 感 器
特点
体积小，质量
轻，工作频带 宽
体积小、低 功耗等
零磁滞，真空兼 容，过载能力强， 动态响应特性好 和对高温、辐射、
动态性 能好、
图11 双臂梁 结构
图10 单臂梁
;.
结构
10
优点：体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不需要复杂
的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测 量连续的加速度
和稳态加速度.
压
缺点：对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低gn值测量
阻 式
时所需的准确度。
伺 服 式 加 速 度 传 感 器 原 理
图20 伺服式加速度传感器原理图
;.
17
主要由质量块、弹簧、电磁线圈、永久磁铁、位移传感器、伺服放大器、壳体 等部分组成。
伺 服 式 加 速 度 传 感 器 构 成
图21 伺服式加速度传感器结构图
;.
18
优点是测量精度和稳定性、低频响应等都得到提高，还有分辨率高，高精度，自检功 能，高可靠性等。 缺点是体积和质量比压电式加速度计大很多，价格昂贵。
伺 服 式 加 速 度 传 感 器 优 缺 点
图22 伺服式加速度传感器结构图
;.
19
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。道路分级,钻井测绘,武器视觉设备,卫星天线阵列,平台控制,轨迹监测,地震和土木 伺 工程分析 服 式 加 速 度 传 感 器 应 用
;.
5压 电S是弹簧源自式 M是质量块加 B是基座
速 P是压电元件
度 传
R是夹持环。
感
器
构
成
图5 压电式加速度计的 结构
图a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基
座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形
则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧
图18 安全气 囊
图19 手机
;.
16
当被测振动物体通过加速度计壳体有加速度输入时，质量块偏离静平衡位置，位移传感 器检测出位移信号，经伺服放大器放大后输出电流，该电流流过电磁线圈，从而在永久 磁铁的磁场中产生电磁恢复力，迫使质量块回到原来的静平衡位置，即加速度计工作在 闭环状态，传感器输出与加速度计成一定比例的模拟信号，它与加速度值成正比关系。
D N G C C V K L B P 0 ^ 7 6 1 A L B P 0 ^ 6 5 1 7 D P 0 ^ 5 4 1 6 D P 0 ^ 4 3 1 5 D P 0 ^ 3 2 1 4 D P 0 ^ 2 1 1 3 D P 0 ^ 1 0 1 2 D P 0 ^ 0 9 1 D P 2 ^ 6 8 0 D P 2 ^ 5 7 E P 2 ^ 4 6 W / R 5 2 S R D 0 4 N 6 L V G 0K 1 3 10 D D V R1 2 4 S S V C U 1 C V D N G
速
度
传
感 器
•压阻式加速度传感器
的
分
类
•电容式加速度传感器
•伺服式加速度传感器
;.
4
压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。 压 电 式 加 速 度 传 感 器 工 作 原 理
图4 压电效应原理 某些晶体在一定方向上受力变形时图，其内部会产生极化现象，同时在它的两个 表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种 现象称为“压电效应”。 具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。
电 容 式
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
加
速
度
传
感
器
优
缺
点
图17 电容式加速度
传感器
;.
15
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 应 用
基
于
加
速
度
传
感
图三 液晶
器
1602
计
步
器
1602采用标准的16脚接口，其中：
引脚1：VSS为电源地
引脚2：VCC接5V电源正极
引脚3：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比
度最高
引脚4：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
引脚5：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计， 具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2） 检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g 偏置和灵敏度是出厂配 置，无需外部器件。客户可使用指定的0g 寄存器和g-Select 量程选择对0g 偏置进 行校准， 量程可通过命令选择 3 个加速度范围（2g/4g/8g）。输出精确，体积小， 工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。
引脚6：E(或EN)端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。
引脚7～14：D0～D7为8位双向数据端。
引脚15～16：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
;.
24
Number
of
steps：
此处显示歩数
run
12
基
于
加 速 度
图四 LCD1602显示 开始
传 感 器
液晶显示run说明现在如果你在 行走数就会自动增加。
感
器
的
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
原
这个力，就可以得到作用力与电流（电压）的对应关系，通过这个简单的原理来
理
设计加速度传感器。
本质是通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形，通过测量其变形并用 相关电路转化成电压输出，得到相应的加速度信号。
;.
3
加
•压电式加速度传感器
其中按键S2是开始，在计步器通电后，按开始按键才能计数，不按开始
键则无法计数。
按键S3为停止键，在计步器工作到一段时间使用者希望查看当前计步状
态，则可以停止当前计步。
按键S4为重新开始，特别注意的是重新开始无需再按按键一，即可在原
有的步数上继续计步。
如要清零，则可以使用单片机复位键。
;.
26
;.
27
的
计
步
Number
of
steps：
器
stop
12
此处显示开始或停止
图五 LCD1602显示停止
液晶显示stop说明现在不论你 怎么走数都不会再变化，查看 当前歩数。
;.
25
D N G 432 SSS 210 ^^^ 333 PPP
基
于
加
速
度
传
感
图六 按键控
器
制
的
计
步
器
三个按键分别接单片机的P3^0,P3^1,P3^2口。
温度受到限制。
;.
6
压 电 式
它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。 缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入 阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
加
速
度
传
感
器
优
缺
点
图6 压电式j加速度;.
7
压电式加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘 抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候 的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦
力发生变化， 易引起温度漂移。
图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向
振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，
有较高的共振频率和良好的线性。
图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘
到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作
电 容 式 加 速 度 传 感 器 工 作 原 理
图15 电容式加速度传感;.器原理图
13
右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测振动体2 及传感器底座1相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y 表示质量块m 相对于传 感器底座1的位移，称为相对位移。x和y 之间关系可用典型二阶比常系数微分方程 描述。
动态范围大和 线性度好
的
强振等恶劣条件
比
的适应性强
较
应用
仪器仪表，汽 车制动启动检 测，地震检测 报警系统，工 程测振、地质 勘探、铁路、 桥梁、大坝的 振动测试与分
析；
广泛应用于 汽车碰撞实 验、测试仪 器、设备振 动监测等领
域
在安全气囊，手
机移动设备等领 域无可替代
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
优
缺
点
图传1感2器压阻式加速度;.
11
压阻式加速度传感器已用在步进电机作为动力机械的控制系统中。广泛应 用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
压 阻 式 加 速 度 传 感 器 应 用
图13 步进电机
图14 绘图 机
;.
12
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，其中一个电极是固定 的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使 电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可 以进一步测出压力。
压 电 式 加 速 度 传 感 器 应 用
图7 摄像 机
;.
图8 电脑硬盘
8
压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器（基于MEMS硅微加工技术），
压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并
在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上
速度
表示物体运动快慢的物理量
加 速 度 传 感 器
加速度
表示物体运动速度变化快慢的物理量
;.
1
能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器 加 速 度 传 感 器 定 义
图2 压阻式加速度传感器
图1 压电式加速度传感 器
图3 电容式加速度 传感器
;.
2
加
速
度 传
根据牛顿第二定律：A（加速度）=F（力）/M(质量)