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。

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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。

意法半导体公司推出了一款全新数字信号输出三轴加速传感器LIS331HH，其最大测量值达到24 g，相当于F1赛车在强劲刹车时产生加速度的5倍左右，可在消费电子和工业应用中实现高精确度的测量。

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。

压阻式
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。

电容式
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。

二压电式加速度传感器
测量原理
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。

压电加速度传感器的原理如图一所示。

实际测量时,将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。

当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。

当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。

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,从而得出物体的加速度。

图一
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。

压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类,因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大,且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高,故本系统压电元件采用压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的
作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数。

设质量块作用于压电元件的力为,支座作用于压电元件的力为,则有
=Ma
=(M+m)a
式中，M为质量块质量；m为晶片质量；a为物体振动加速度。

由上式可得晶片中厚度方向(z方向)任一截面上的力为
F=Ma+ma(1-z/d)
式中d为晶片厚度。

则平均力为
=(M+m)a
因晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向),作用力沿着z方向,故此时外加应力只有,不等于零,其平均值为
=
式中A为晶片电极面面积。

选用D型压电常数矩阵，得电荷
Q==
式中为压电常数。

由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成,而晶片很薄,即有M m，故通常写为
Q=Ma
有上式可知，压电元件的Q与、M成正比，根据测量电荷就可得到加速度。

构成元件
常用的压电式加速度计的结构形式如图二所示。

S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。

图中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，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。

图中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。

图中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，因此最高工作温度受到限制。

图二
幅频特性
图三
测量电路
由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可看作一个电荷发生器。

同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为
式中A为晶片电极面面积；为压电材料的相对介电常数；为真空介电常数。

因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。

压电传感器本身的内阻抗很高,
而输出能量较小,因此,它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器,其作用如下:
(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。

(2)放大传感器输出的微弱信号。

本设计中前置放大器采用电荷放大器。

压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接,因此还需考虑连接电缆的等效电容
、放大器输入电阻、输入电容及压电传感器的泄漏电阻，这样压电传感器在系统中的实际等效电路如图四所示
图四
图中，为运算放大器增益。

由于运算放大器的极高,而=Ω,所以可认为和
是开路的。

设运算放大器输入电压为,输出电压为,根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为
Q=+()
式中为反馈电容。

将代入上式得
若放大器开环增益足够大,满足，上式则可表示为
由上式在一定情况下,电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此,并且与电缆分布电容无关。

因此,采用电荷放大器时,即使联接电缆长度在百米以上,其灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器的突出优点。

测量系统结构
压电加速度测量系统组成电路结构如图五所示。

压电加速度传感器是将被测加速度的变化转换为电荷量的变化;电荷放大器将传感器输出的微弱信号放大;信号处理电路将信号转化为适合A/D转换的信号;处理后的电压信号通过A/D转换后传送到单片机系统,通过计算机对数据进行处理分析再输出。

图五
由于压电陶瓷的压电特性易受温度影响,热胀冷缩造成的机械形变也会对输出产生影响,而普通的压电加速度传感器都不具备补偿功能,直接将其应用,可靠性不好。

环境温度对传感器的影响主要有压电材料的特性参数、压电材料的热释电效应和传感器结构3个因素。

环境温度变化会使压电材料的压电常数dn、介电常数ε、电阻率ρ和弹性系数k等机电特性参数发生变化。

dn和k的变化将影响传感器的输出灵敏度；ε和ρ的变化会导致时间常数τ=RC 的变化,从而使传感器的低频响应变化。

由于金属材料与陶瓷材料的热膨胀系数相差较大,当温度发生变化时,质量块与支撑台间的距离会有微小变化,从而质量块对压电陶瓷的预压力发生变化;而压电陶瓷本身也受温度影响,因此,有必要进行温度补偿。

温度补偿的方法是通过实验对传感器在不同温度下所产生的温度漂移值进行标定,将标定结果以数据表的格式存入单片机中。

实际测量中,单片机根据测得的温度自动进行结果的修正。

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。

加速度的计量单位为，
在工程应用中常用重力加速度g＝9.81 作计量单位。

这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。

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。

因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。

一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。

因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。

误差形成因素分析
压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。

要测定这样微弱的电荷（
或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。

换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内，压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。

所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。

其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。

电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。

在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。

从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。

但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.1～1Hz左右。

三应用
加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检测感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。

倾斜度检测
加速度传感器水平放置时，在重力作用下经激励有一定幅度的输出，当与重力方向有倾角时，传感器信号输出幅度会有所变化，对两种状态下信号输出进行比较计算可推算出倾斜角的大小，应用双轴、三轴加速度传感器就可测出任意倾斜角的大小和方向。

利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功能，加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗盘、图像旋转、文本滚动浏览／用户界面、LCD投影和物理治疗法等方面。

飞思卡尔半导体公司推出的MMA7260Q三轴加速度传感器是用于倾角测量的典型应用之一，它以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。

把加速度传感器固定于物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。

运动检测
在进行运动检测时，需要考虑几个因素：如何计算它的位移，g值的范围选择及使用量测轴。

首先应确定位移：计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则需进行一次积分。

利用这种运动检测感应功能，加速度传感器可应用于运动控制、计步器和基本运动检测等。

国外应用加速度传感器进行人体运动检测方面的研究比较广泛，特别是医学临床辅助诊断、体育运动训练、人体运动仿真等方面已取得大量研究成果。

而国内相对来说研究较少。

加速度传感器能获取人体运动时加速度的频率和幅度，且其安装简便、体积小，能满足人体运动评估检测的要求。

CarhjnV．C．Bouten等人采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运
动加速度与能量消耗的关系。

此三轴加速度传感器是由3个单维压阻式加速度传感器正交地安装在一个很轻的立方体盒中组成，并由弹性绷带系与人体腰背部，实现对人体在坐、行走等日常活动运动中加速度的测量，并获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。

运用加速度传感器测量步行运动最为经典的研究是Freedson等人采用Actigraph单轴加速度测量了三种速度下的步行(4．8、6．4、9．7km／h，分别代表正常步速行走、快走和慢跑)。

定位检测
利用定位检测感应功能，加速度传感器可应用于汽车导航、防盗设备和地图跟踪等。

定位的精确程度是衡量系统陛能优劣的重要指标，因为导航系统等功能就是帮助用户确定位置并提供正确的操作指示。

目前，常用的定位手段有惯性导航定位、GPS卫星定位和组合导航定位等。

在车载导航系统中，加速度传感器完成车辆瞬时加速度的数据采集任务，然后根据推算定位法计算出当前位置相对于已知参考位置之间的偏移，从而得到车辆的绝对位置。

在短时间内，利用这种方法得到的定位精度很高，在平均加速度28．4的情况下，l0秒钟内得到的定位误差大约是0.5m。

AD公司出品的一款双轴加速度测量系统ADXL202的定位方法是惯性导航定位的一种，虽然按照上述方法在短时间内精度很高，但随着时间增加，误差积累效应越来越大，会严重影响导航精度。

因此，通常用加速度传感器和G／X5一起组合成为组合导航系统，以此提高定位精度，增强系统性能。

GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位。

在一些特殊的场合和地貌，比如遂道、高楼林立区和从林地带，GPS信号会变差或完全失去，这种区域叫做死角。

而通过安装加速度传感器和惯性导航，就可以进行系统死区的测量。

对加速度传感器进行一次积分，就变成单位时间内的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。

震动检测
通常，震动检测所需的加速度传感器的规则选取是按照被测量对象的减速度决定的，而且算法将随每种设计的不同而变化。

利用震动检测感应功能，加速度传感器可应用于下降记录、黑匣子／故障记录仪、硬盘驱动器保护、运输和处理监视器。

在马达控制器应用中，通过加速传感器可以将震动量变化为数据，借此数据可判断出震动量的大小，可用作预防性维修和检测电机故障等，能够节省成本。

振动检测
利用振动检测感应功能，加速度传感器可在地震活动监视、智能电机维护、家电平衡和监测等方面有广泛应用。

地震加速度传感器是地震资料野外采集的最前端，是能否获取高信噪比、高分辨率、高保真度的原始地震资料的关键。

近年来，美国I／O(Input／Output)公司已成功开发出以MEMS加速度传感器为基础的新型地震检波器，使地震勘探仪器的性能指标有了大幅度的提高。

同时法国的Sercel公司也在进行以MEMS为核心技术的加速度传感器的研制，用于石油勘探。

国内的威海双丰电子集团有限公司、中科院上海微系统所与中石化南京物探研究所共同承担了国家“八六三”计划，进行研究MEMS加速度传感器在石油勘探领
域中的应用。

自由落下检测
利用自由落下检测感应功能，加速度传感器可应用于自由落体保护、下降记录和检测、运动控制和认知等。

在硬盘驱动器保护应用中，自由落下检测是最近出现在消费性电子产品中的一个新的应用，外界的轻微振动就会使硬盘数据丢失，利用此项功能可以保护硬盘驱动器的资料安全。

在硬盘驱动器自由落下撞击地面之前，从加速度传感器所得的数据分析出相应的危机状态，系统可立即令硬盘驱动器读写头做出反应，以防止撞击时读写头将硬盘驱动器资料刮坏。

参考文献
[1] 周杏鹏，现代检测技术.
[2] 邢丽娟、杨世忠，压电加速度测量系统的设计
[3] 刘宇、鞠文斌、刘羽熙，加速度传感器的检测应用研究进展
[4] 夏伟强，加速度传感器的简述
[5] 查万纪，压电加速度传感器测量电路的研究与设计。