加速度传感器的几个关键特性
加速度传感器的几个关键特性
为了正确地选用加速度传感器，获得有用的加速度数据，全面的了解加速度传感器的特效是非常必要的。下面就来解释一下加速度传感器的几个关键特性。
灵敏度
加速度传感器的灵敏度是指其输出信号量（电压/电荷）与输入信号量（加速度）的比值。灵敏度越高，则信噪比就越大，静电干扰和电磁干扰噪声也就越小。但是，在其它条件相同的前提下，想要得到较高的灵敏度，需要较大的质量快，这随之带来了两个缺点：加速度传感器质量变大和共振频率变低。
质量
加速度传感器在使用时通常是通过螺钉连接或胶黏的方法固定在被测物表面的，如果果加速度传感器的动态质量接近被测物的动态质量，则这部分质量将会影响到被测物的运动状态，从而得到有一定程度失真的测量结果。因此，当被测物较为轻薄时（电路板、壳体等），尤其应当注意选用质量小的加速度传感器。
谐振频率
加速度传感器本身是一个弹簧-质量-阻尼系统，因此必然有一个谐振频率，如果被测物的振动频率正好接近这个谐振频率，加速度传感器的灵敏度会急剧增加，这时输出的值是没有意义的。一般来说，加速度传感器都工作在其谐振频率的1/5或1/3的频段内。
频率响应
加速度传感器的频率响应通常是指其幅频响应。理想的加速度传感器的频率响应当然是从0Hz至+∞Hz都保持相同的灵敏度，但实际上并不存在这要的传感器。加速度传感器按照其工作原理不同，有些在高频段表现出色，可以达到几十kHz，有些则是低频响应较好，并可以提供直流响应。
横向灵敏度
在理想情况下，若被测物存在垂直于加速度传感器测量轴的方向的振动，输出的测量信号应该是为零的。但实际上，由于材料特性及制造误差等原因，可能会有高达5%的输出信号。这是一种串扰输出，因此横向灵敏度也被称为“串扰灵敏度”。
温度灵敏度
加速度传感器是一种电子产品，它的输出特性不可避免的会受到温度的影响，一般说来，温度越高，测量误差就越大，但可进行温度补偿。不同类型的加速度传感器的适用温度范围差别很大，如PE传感器可以耐受到700℃，而IEPE传感器由于内置了处理电路，一般只能耐受到175℃。
瞬变温度灵敏度
加速度传感器随着温度的瞬变将会产生输出，该输出的最大值与传感器灵敏度和温度改变量乘积的比值称为瞬变温度灵敏度。这种瞬变温度所引入的误差主要出现在压电式加速度传感器中，由热释电效应引起。大多数情况下这种效应是很低频的，且不易被发现。
加速度传感器的选择
加速度传感器选型 压电加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。在一般通用振动测量时，用户主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构、内置电路型与纯压电型的区别，现场环境与后续仪器配置等。 一、灵敏度的选择 制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量程范围，目的是让用户在选择不同灵敏度的加速度传感器时能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。 估算方法：最大被测加速度×传感器电荷（电压）灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入电荷（电压）值。建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：以电荷输出型压电加速度传感器为例： 1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右，可选电荷灵敏度在300pC/ms-2～ 30pC/ms-2的压电加速度传感器，属于电荷输出型压电加速度传感器 2、特殊的土木结构（如桩基）和机械设备的振动在100ms-2～1000ms-2，可选择20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度传感器。 3、冲击，碰撞测量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2～ 0.002pC/ms-2的加速度传感器。 二、频率选择 制造商给出的加速度传感器的频响曲线是用螺钉刚性连接安装的。 一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差给出的，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的，但也有特例，如轴承故障检测。选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz～1kHz，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz～ 5kHz 的加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时，除以60s 此时它的主频率为50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。 加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)。 安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。我们给出同一只AD500S 加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接（±10%误差）10kHz；环氧胶或“502”粘接安装6kHz；磁力吸座安装 2kHz；双面胶安装1kHz。由此可见，安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，质量大，使用频率低，这也是选择的技巧。 三、内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。 中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。 四、内置电路 内置的概念是将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP) 两种，下面所指内装电路专指ICP
三轴加速度传感器原理应用及前景分析
三轴加速度传感器原理及应用 2012年09月09日 12:42来源：本站整理作者：胡哥我要评论(0) 三轴加速度传感器原理 MEMS换能器（Transducer）可分为传感器（Sensor）和致动器（Actuator）两类。其中传感器会接受外界的传递的物理性输入，通过感测器转换为电子信号，再最终转换为可用的信息，如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等。其主要感应方式是对一些微小的物理量的变化进行测量，如电阻值、电容值、应力、形变、位移等，再通过电压信号来表示这些变化量。致动器则接受来自控制器的电子信号指令，做出其要求的反应动作，如光敏开关、MEMS显示器等。 目前的加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种，这三种技术各有其优缺点。以电容式3轴加速度计的技术原理为例。电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿（Silicon Fingers），一组固定，另一组随即运动物体移动；前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。 当运动物体出现变速运动而产生加速度时，其内部的电极位置发生变化，就会反映到电容值的变化（ΔC），该电容差值会传送给一颗接口芯片（InteRFace Chip）并由其输出电压值。因此3轴加速度传感器必然包含一个单纯的机械性MEMS传感器和一枚ASIC接口芯片两部分，前者内部有成群移动的电子，主要测量XY及Z轴的区域，后者则将电容值的变化转换为电压输出。 文中所述的传感器和ASIC接口芯片两部分都可以采用CMOS制程来生产，而在目前的实际生产制造中，由于二者实现技术上的差异，这两部分大都会通过不同的加工流程来生产，再最终封装整合到一起成为系统单封装芯片（SiP）。封装形式可采用堆叠（Stacked）或并排（Side-by-Side）。 手持设备设计的关键之一是尺寸的小巧。目前ST采用先进LGA封装的加速度传感器的尺寸仅有3 X 5 X 1mm，十分适合便携式移动设备的应用。但考虑到用户对尺寸可能提出的进一步需求，加速度传感器的设计要实现更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其检测与混合讯号单元也会朝向晶圆级封装（WLP）发展。 下一代产品的设计永远是ST关注的要点。就加速度传感器的发展而言，单芯片结构自然是
加速度传感器的安装方法
加速度传感器的安装方法 1.目的： 将用书面形式来阐述加速度计的粘接式安装方法，我们的工程师在这个应用领域中进行了许多调查研究并得出结论：正确的加速度计粘接方法是十分重要的。这些信息将有助于测试工程师和技师在粘接一些特殊类型的传感器时获得更好的帮助并做出更好的决定。 2.背景： 测试工程师和技师们常常会问：如何避免在安装被测物体表面上不用打出螺孔而进行加速度计的安装？例如合成和碾压材料表面安装时厚度不足，在一块很小的表面区域中存在着很多不牢固的整体性结构，多样性的安装方式使得加速度计的安装方式具有很大的随意性，在这种状况下我们使用粘接剂粘合加速度计是最合适的安装方式。 测试人员将会决定在什么样的环境下采用什么类型的粘接剂更符合测试要求。加速度计的自然频率由粘接的耦合程度决定，选择正确的粘合剂将是很重要的一步。有些重要的问题是必须要考虑的：加速度计的重量，测试时的频率和带宽，测试时的振幅和温度。还要考虑一些测试过程中会出现的问题：正弦曲线的受限和测试中出现的随机振动。通常，工程师和技师将会根据测试不同的需求选择合适的粘接剂来粘接加速度计。 这些粘接剂包括：氰基丙烯酸盐,磁铁，双面胶带，石蜡，热粘接剂等，问题的关键在于如何能够有效的选择和使用这些粘接剂。下面我们来解决这些问题。在正弦振动测试过程中751-100和2226C是两种典型的被广泛应用的加速度计，分别用氰基丙烯酸盐,磁铁，双面胶带，石蜡，热粘接剂对它进行粘接。一般在高温控制室中进行，以此来校验加速度计在其他温度改变之前的频率响应。用热电偶来监控烤箱中的温度用于校准加速度计。 ３.建议： 在加速度计的粘接过程中，粘合剂的使用数量将在加速度计能否达到良好的频率响应中起到很关键的作用。在一块小的薄膜上尽可能的用最少的粘接剂粘接加速度计将会直接的促进加速度计频率响应传送性能的提高。在安装传感器之前要用碳氢化合物的溶解液：比如（Loctite? X-NMS）来清洁其要安装的表面，在安装传感器的时候通常要用到氰基丙烯酸盐, 磁铁，双面胶带，石蜡，将它们均匀地涂抹在粘接加速度计被粘表面，合适的厚度将会起到良好的粘接效果。热粘接剂的使用有很多的注意事项，要注意安装过程中热粘接剂的凝固时间。 751-100和2226C是两种最具有代表的普通加速度计。751-100重7.8克，在测试高频振动时，频率响应在1－15K HZ。2226C重2.8克，在使用氰基丙烯酸盐粘接到高频振动台的时候，频率响应在1－5K HZ。 粘接剂安装方法介绍： 氰基丙烯酸盐 在测试传感器中一个加速度计的重量一般小于10克，这是它们的优势所在，在751-100和2226C两种传感器的粘接中可以使用氰基丙烯酸盐的粘合剂，使用温度范围通常在-18°C 到+121°C之间。氰基丙烯酸盐的粘合剂也可用于121°C之上，通常能达到177°C。氰基丙烯酸盐是一种用于粘合坚固塑料的胶液，这种胶液可用于粘接金属，玻璃，橡胶和各种塑料。使用氰基丙烯酸盐的稀释剂可以加快凝固时间。通常氰基丙烯酸盐用来粘接铝，不锈钢。甲基氰基丙烯酸盐通常被推荐用来粘接和固定金属和玻璃。不能确定的是氰基丙烯酸酯在其他材料方面的应用，我们还需要做进一步的测试。 优点： 1.室温时粘接效果好，凝固时间较快。 2.频率响应宽，温度范围宽。 缺点：
三轴角度检测(倾角传感器MMA7455(加速度传感器))
#include 三轴向高灵敏度加速度传感器 便携式电子产品功能的增加推动了对数据驱动器存储的需求，设计人员正在寻找占用较小板卡空间的改进保护系统。飞思卡尔半导体率先推出业界第一款三轴向高灵敏度加速度传感器——MMA7260Q。MMA7260Q能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速器。 1 小巧的巨人 飞思卡尔自1980年第一个传感器问世以来，销售的传感器数量在去年已经突破了具有里程碑意义的4．5亿大关。飞思卡尔帮助客户开发产品，用以监控身边的大量产品和技术。 MEMS传感器是面向加速和压力传感器市场的支持技术。飞思卡尔将非常小的电子和机械组件包含在一个封装中，做成了MEMS传感器。这个封装还整合了集成电路(IC)。当MEMS感应、处理或控制周围环境时，它使系统的一部分能够进行信息处理。传感器适用于需要测量因倾斜、移动、定位、震动或摆动而产生的各种力，或者测量压力、高度、重量和水位的最终产品以及嵌入式系统。 飞思卡尔基于MEMS的压力传感器和加速传感器是汽车电子、保健监控设备、智能便携电子设备(如蜂窝电话、PDA、硬盘驱盘器、计算机外围设备和无线设备)等应用中的关键组件。使用MEMS传感器，您能够拥有更准确的血压监控设备；更精确的气象站气象测量；功能更高的呼吸器和反应更快、更强的游戏设备。 汽车设计人员和厂商在每辆汽车内的不同地方都要应用MEMS传感器。在加强汽车安全的应用中，加速传感器提供碰撞检测功能，并对前／侧气囊及其他汽车安全设备进行有效部署。在特殊的保健监控应用中，压力传感器为病人提供重要诊断。在蜂窝电话中，MEMS产品能用自然的手部运动(而不是推动按钮的方法)激活各种功能。 飞思卡尔开发的基于微机电系统(MEMS)的三轴向低重力加速计MMA7260Q，专门面向便携式消者电子产品。MMA7260Q的可选灵敏度允许在1．5 g、2 g、4 g和6 g的不同范围内进行设计。它的3μA睡眠模式、500μA低运行电流、1．0 ms的快速启动响应时间以及6 minx6 mm×1．45 mm的QFN小巧包装等其他特性，使围绕 MMA7260Q的设计活动轻松方便、经济高效。 MMA7260Q是一款单芯片设备，具有三轴向检测功能，使便携式设备能够智能地响应位置、方位和移动的变化。它的封装尺寸很小，只需较小的板卡空间，另外还提供快速启动和休眠模式。这些特性使MMA7260Q成为采用电池供电电子产品的理想之选，包括PDA、手机、3D游戏和数码相机等。 飞思卡尔能提供1．5~250 g的一系列加速传感器产品，使用在从高度敏感的地震监测到强劲的碰撞检测等应用中。 在三星电子最近发布的两款最新数字音频播放器(YH_J70和YP_T8)中，采用了这种传感器。YH_J70采用这种传感器，实现了通过倾斜和自由下落检测来滚动菜单的功能。在YP_T8闪存式多媒体播放器中，通过传感器的倾斜检测实现了游戏功能。 2 全方位感知 由于MMA7260Q传感器能在三个轴向上灵敏地准确测量到低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，各个行业的设计工程师都能得以致用。 加速度传感器的工作原理、结构以及芯片的微加工 传感器作为故障信息监测与诊断的数据来源,其对工程装备工作参数的拾取精度直接决定了后续故障诊断的准确度,是机械故障信息监测的关键器件。随着无线监测系统进入工业应用以及制造装备智能化发展的趋势,当前所用的压电式加速度传感器由于成本、体积等方面的原因逐渐不能满足工业实际需求;因此,将具有微型化与可大规模生产等潜力的MEMS传感器应用于机械故障信息监测中,可为制造装备集成化、智能化发展提供必要的器件支持。综合各类传感器的优缺点以及机械制造装备故障检测对测振传感器的性能需求，本文以3种不同结构的压阻式MEMS加速度传感器为对象,介绍了微型测振加速度传感器的工作原理、结构以及微加工工艺，针对传感器固有频率与测量灵敏度之间的制约关系,提出“小变形-大应力”的敏感结构设计方法,并根据所设计结构特点与微加工工艺能力制定传感器芯片制作流程。加速度传感器工作原理压阻式传感器利用材料的压阻效应将物理量转换为电学量的方式来实现信号测量。目前,压阻式加速度传感器多采用如图1所示的“梁-质量块”结构,主要包括质量块、支撑梁和压敏电阻3个基本元件。当传感器受到加速度作用时,质量块在惯性力的作用下发生与加速度成比例的位移,带动支撑梁发生弯曲变形,产生应力。由于硅的压阻效应,压敏电阻在应力作用下阻值变化,后经过惠斯通电桥输出与加速度成比例的电压,实现加速度信号到电信号的转换,如图2所示。 图1 梁-质量块结构图 图 2 压阻式传感器工作过程在加工传感器芯片过程中,通常采用离子注入工艺在传感器应力最敏感区域制作4个等值的压敏电阻以提高传感器的测量灵敏度。然后由芯片上的金属引线将压敏电阻连接成惠斯通电桥,由外接恒压源或恒流源激励工作。当传感器工作时,惠斯通电桥能够有效地将压敏电阻的变化转换成电压信号,且压阻式传感器的电压输出与加速度输入成线性关系。传感器的敏感结构 加速度传感器的主要性能指标包括测量灵敏度、固有频率、输出线性度以及可用量程等，其中测量灵敏度与固有频率是决定传感器应用范围的重要指标。对于某一结构的传感器来说,提升固有频率则必须增加结构刚度、减小质量块,而这必然会减小结构的静态变形,造成 一、 设计要求 1、功能与用途 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，如手提电脑的硬盘抗摔保护，另外一个用处就是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，自动调节相机的聚焦。而这些产品中由于要求对温度的干扰有很大的免疫力，其中采用的都是压电式加速度传感器。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面，灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到的重要因素之一。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 2、指标要求 分别用压电式传感器、电阻应变式传感器、电容传感器实现加速度的测量将非电量转化为电量输出。 二、设计方案及其特点 依据压电效应、电阻应变效应以电容相关的物理参数及性质随外力而变化的特性，可制作成压电式加速度传感器、电阻应变式加速度传感器及电容式加速度传感器。三种加速度传感器的设计及特点分别叙述如下： 1、方案一 压电式加速度传感器 压电加速度测量系统结构框图如图1所示： 压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件 ,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料 ,当沿着一定 压电加速度 传感器 电荷放大器 信号处理电 路 A/D 转 换电路 图1 压电加速度测量系统结构框图 方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象 ,同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷;当外力去掉后 ,又重新恢复不带电的状态;当作用力的方向改变时 ,电荷的极性也随着改变。电信号经前置放大器放大 ,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小 ,从而得出物体的加速度 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图2。 方案二 电阻应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：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 。 图3中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4 。 测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 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，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压， 即可得出加速度a 值的大 图2 压电式加速度计的幅频特性曲线 3 2 1 4 1—等强度梁；2—质量块；3—壳体； 4—电阻应变敏感元体 图3 应变式加速度传感器结构 Three-axis acceleration sensor variable in capacitance under application of acceleration United States Patent 5383364 Abstract: An acceleration sensor comprises an upper semiconductor substrate having a rigid frame, four deformable beams connected with the rigid frame, and a weight portion supported by the plurality of deformable beams, a lower semiconductor substrate bonded to the rigid frame, a plurality of movable electrodes attached to the weight portion, and electrically isolated from one another, and a plurality of stationary electrodes attached to the second semiconductor substrate, and opposite to the plurality of movable electrodes for forming a plurality of variable capacitors, and the center of gravity of the weight portion is spaced from a common neutral surface of the four beams for allowing acceleration to produce bending moment exerted on the four beams, thereby causing the variable capacitors to independently change the capacitance. Inventors: Takahashi, Masaji (Tokyo, JP) Kondo, Yuji (Tokyo, JP) Application Number: 07/972537 Publication Date: 01/24/1995 Filing Date: 11/06/1992 Export Citation: Click for automatic bibliography generation Assignee: NEC Corporation (Tokyo, JP) Primary Class: 73/514.32 Other Classes: 73/514.34, 73/514.36, 361/280 International Classes: G01P15/125; G01P15/18; (IPC1-7): G01P15/125 Field of Search: 73/517R, 73/517AV, 73/517B, 361/280 View Patent Images: Download PDF 5383364 PDF help US Patent References: 5243861 Capacitive type semiconductor accelerometer 1993-09-14 Kloeck et al. 735/17R 5134881 Micro-machined accelerometer with composite material springs 1992-08-04 力平衡加速度传感器原理设计 摘要：本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上，采用差动电容结构，利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化，将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。 关键词：加速度差容式力平衡传感器 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。 1、加速度传感器原理概述 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百 MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。 差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出 一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。 2、变间隙电容的基本工作原理 如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示： 由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。 由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在 压电式加速度传感器 及其应用 压电式加速度传感器及其应用 一、 压电式加速度传感器原理 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。它是利用某些物质如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。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。 二、压电式加速度传感器构成元件 常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，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，因此最高工作温度受到限制。 预压弹簧压电元件外壳质量 块基座 三、压电式加速度传感器幅频特性 图1 压电式加速度计的幅频特性曲线 加速度 限频率取决于幅频曲线中的共振频率图（图1）。一般小阻尼(z<=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的 1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。 四、压电式加速度传感器的灵敏度 压电式加速度计的灵敏度压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g= 9.80665m/s2。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此 概述： ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位）,测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0。的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能。 活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能 可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立 映射到两个中断输岀引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先岀（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。ADXL345采用3 mm X 5 mm x 1 mm，14引脚小型超薄塑料封装。 对比常用的飞思卡尔的MMZ7260三轴加速度传感器，ADXL345，具有测量精度高、可以通过SPI或I2C 直接和单片机通讯等优点。 特性： 超低功耗：VS= 2.5 V 时（典型值），测量模式下低至23uA， 待机模式下为0.1 g A功耗随带宽自动按比例变化 用户可选的分辨率10位固定分辨率全分辨率，分辨率随g范围提高而提高， ±16g时高达13位（在所有g范围内保持4 mg/LSB的比例系数） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理器负荷 降至最低。单振/双振检测，活动/非活动监控，自由落体检测 电源电压范围：2.0 V 至3.6 V I / O电压范围：1.7 V至VS SPI （3线和4线）和I2C数字接口 灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚 通过串行命令可选测量范围 通过串行命令可选带宽 宽温度范围（-40°C至+85 °C） 抗冲击能力：10,000 g 无铅/符合RoHS标准 小而薄：3 mn X 5 mm x 1 mm，LGA 封装 模组尺寸：23*18*11mm （高度含插针高度 应用： 机器人控制、运动检测 过程控制，电池供电系统 硬盘驱动器（HDD）保护，单电源数据采集系统 手机，医疗仪器，游戏和定点设备，工业仪器仪表，个人导航设备 1、常用加速度传感器有哪几种分类各有什么特点 答：加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。 压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。 压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。 电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。 相比之下，压电式传感器应用更为广泛一些，压阻式也有一定程度的应用，而电容式主要专用于低频测量。 2、压电式传感器又分哪几种 答：压电式传感器有多种分类方式。 按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。 按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。压缩式结构最简单，价格便宜，但是不能有效排除各种干扰；剪切式受干扰影响最小，目前最为常用，但是制造工艺要求较高，所以价格偏高；弯曲变形梁式比较少见，其结构能够产生较大的电荷输出信号，但是测量频率范围较低，受温度影响易产生漂移，因此不推荐使用。 按信号输出的方式分为电荷输出式和低阻抗电压输出式（ICP）。电荷输出式直接输出高阻抗电荷信号，必须通过二次仪表转换成低阻抗电压读取，而高阻抗电荷信号较容易受干扰，所以对测试环境、连接线缆等的要求较高； 而ICP型传感器内部安装了前置放大器，直接转换成电压信号输出，所以相对有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、能实现远距离测量等优点，目前正逐步取代电荷输出式传感器。 3、选择压电式加速度传感器时有哪些基本原则 答：选择一般应用场合的压电式加速度传感器时，要从三个方面全面考虑： ①振动量值的大小②信号频率范围③测试现场环境。 作为一般的原则，灵敏度高的传感器量程范围小，反之灵敏度低的量程范围大，而且一般情况下，灵敏度越高，敏感芯体的质量块越大，其谐振频率也越低，如果谐振波叠加在被测信号上，会造成失真输出，因此选择时除 MMA7260 三轴加速度传感器使用手册 一、MMA7260QT的简介 MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。 二、特性： (1) 可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g) (2) 低功耗：500 μA (3) 休眠模式： 3 μA (4) 低压运行：2.2 V - 3.6 V (5) 6mm x 6mm x 1.45 mm的无引线四方扁平 (QFN) 封装； (6) 高灵敏度(800 mV/g @ 1.5g) (7) 快速开启 (8) 低通滤波器具备内部信号调理 (9) 设计稳定、防震能力强 (10) 无铅焊接 (11) 环保封装 (12) 成本低 三、典型应用: 三轴加速度传感器是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，典型互动应用中的加速度传感器可以用来对物体的姿态或者运动方向进行检测，比 如其中WII和iPhone中的经典应用。Nokia最新推出的手机N95利用内置的加速度传感器，让用户可以通过机身的摆动进行各种操作，包括主菜单操 作、图片浏览、切歌操作甚至进行游戏的控制等，非常全面，甚至超越了苹果 iPhone的动作感应功能的应用范畴。 基于Freescale公司MMA7260的这个三轴加速度传感器，对于普通的互动应用来讲应该是一个不错的选择， 可以用于摩托车和汽车防盗报警器，遥控航模，游戏手柄，跌倒探测，硬盘冲击保护，倾斜角度测量，电梯安全监控等需要测试加速度的地方。 加速度传感器原理与应用简介 1、什么是加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。 2、加速度传感器一般用在哪里 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是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。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 3、加速度传感器是如何工作的 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F 对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 ·压电式 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 压电加速度传感器的频率特性 1、固有共振频率 压电型加速度传感器基本上由质量块m、弹性常数k的压电体、空气阻抗等的阻尼器D 以及基座构成的。 图1压电型加速度传感器的弹性质量系 现在我们假设没有阻尼器D和外力的情况，如图1（a）此时的共振频率为： m b：基座的质量 上式中f n 是弹性质量系（质量块m）的共振频率，用以下公式表示。 图1（b）中，当基座固定在质量无限大的物体上时，mb远大于m，f0约等于fn。 我们将fn 称为不衰减固有共振频率。 接下来我们假设有衰减的情况，实际上自由振动不可能一直进行，一定会受到某些衰减并随时间变弱。 衰减状态由衰减比h的大小决定，分为3种状态。另外衰减比h 是衰减系数 D 比上临界衰减系数Dc，即D/Dc 得出。 图2 衰减自由振动 h＜1 时，后续振幅比如下式所示。 由此我们可以得知，包络线会随时间以指数函数减少。此时将fd 作为共振频率的话， 可用以下公式表示。 fd 就称作衰减固有共振频率。 h≥1 时，则fd=0。变为失去振动性的无周期运动。从振动测量精度上来看，自由衰减振动需要尽可能快得使其衰减，但衰减比h并不是越大越好。这一点可从图上记公式中得知。 衰减比h 的大小也受到谐振锐度即Qm 值的影响。h 越小Qm 就越大，形成尖锐的共振。其关系由下记公式来表示。 在设计压电型加速度传感器时，会尽可能使h 值小，Qm 值大，形成尖锐共振后，扩大平坦的频率范围。 2、 电荷增幅中的低频截止频率 上述已经提到，电荷放大器中传感器产生的电荷全部储存在反馈电容 Cf 中。 因此低频特性与输入电路中的时间常数（电缆电容 Cc 、传感器电容 Cd 等）没有关系， 而是由反馈电路的时间常数 Cf ?Rf 决定。即低频截止频率 fc 为： 由于一般情况下Rf 会选定10MΩ 以上的高阻抗值，比 Cf 的电感器大很多，因此实际上 fc 的值主要由 Cf 的值来决定。Cf 值越大 fc 就越小，适合低频的振动测量。但是这也有一定限度，从之前公式可以看出，Cf 值非常大时电荷—电压的转换率下降造成灵敏度下降，导致 S/N 比的恶化。一般情况下，大多选择 1000pF 左右。 3、 电压增幅中的低频截止频率 将压电型加速度传感器连接到电压放大器上的等价电路如图3所示。 图3 电压增幅的等价电路 途中 V 和 V in 之间的关系可用以下公式表示。 在低频截止频率 fc 中，因为丨 Vin/V 丨=1/√2，因此将上记公式的分母 1+w2Rin2（Cd+Cc ）2=2，得到： 则 f c 为： Cd ：传感器的静态电容 Cc ：电缆的静态电容 Rin ：电压放大器的输入阻抗 Vin ：电压放大器的输入电压 微系统设计与应用 加速度传感器的原理与构造 班级：2012机自实验班 指导教师：xxx 小组成员：xxx xx大学机械工程学院 二OO五年十一月 摘要 随着硅微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展,各种基于MEMS技术的器件也应运而生,目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等,它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容,易于实现数字化、智能化以及批量生产,因而从问世起就引起了广泛关注,并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。本文着手于不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。 关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造 目录 1 压阻式加速度传感器 (2) 1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2) 1.2 压阻式加速度传感器的原理 (2) 1.2.1 敏感原理 (3) 1.2.2 压阻系数 (4) 1.2.3 悬臂梁分析 (5) 1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6) 1.3.1结构部分 (6) 1.3.2 硅帽部分 (8) 1.3.3键合、划片 (9) 2电容式加速度传感器 (9) 2.1电容式加速度传感器原理 (9) 2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (9) 2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (11) 2.2电容式加速度传感器的构造 (12) 2.2.1机械结构布局的选择与设计 (12) 2.3.2材料的选择 (14) 2.3.3工艺的选择 (15) 2.3.4具体构造及加工工艺 (16) 3 其他加速度传感器 (18) 3.1 光波导加速度计 (18) 3.2微谐振式加速度计 (18) 3.3热对流加速度计 (19) 3.4压电式加速度计 (19) 4 加速度传感器的应用 (20) 4.1原理 (20) 4.2 功能 (20) 参考文献 (22)三轴向高灵敏度加速度传感器
加速度传感器的工作原理、结构以及芯片的微加工
加速度传感器传感器课程设计
三轴加速度传感器
力平衡加速度传感器原理设计t
压电式加速度传感器及其应用备课讲稿
完整版三轴数字加速度传感器ADXL345技术资料
常用加速度传感器有哪几种分类
三轴加速度传感器MMA7260
加速度传感器原理与应用简介
压电型加速度传感器的频率特性
MEMS加速度传感器的原理与构造