加速度傳感器工作原理根據(jù)加速度傳感器的種類不同,也會(huì)有相應(yīng)的區(qū)別。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的傳感器。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。
加速度傳感器是一種能夠測量加速力,將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是個(gè)常量,比如g,也可以是變量。加速度計(jì)有兩種:一種是角加速度計(jì),是由陀螺儀(角速度傳感器)的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
按加速度傳感器工作原理可以分為四種:
1、壓電式加速度傳感器
壓電式加速度傳感器工作原理是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷;當(dāng)外力去除后,又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。
在加速度計(jì)受振時(shí),質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí),則力的變化與被測加速度成正比。
壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn),是被最為廣泛使用的振動(dòng)測量傳感器。
2、壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器(基于MEMS硅微加工技術(shù)),壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊,質(zhì)量塊由懸臂梁支撐,并在懸臂梁上制作電阻,連接成測量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng),懸臂梁上電阻的阻值隨應(yīng)力的作用而發(fā)生變化,引起測量電橋輸出電壓變化,以此實(shí)現(xiàn)對加速度的測量。
基于世界領(lǐng)先的MEMS硅微加工技術(shù),壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點(diǎn),易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中,廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測試儀器、設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測等領(lǐng)域。
應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋,其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。
現(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面,從低靈敏度高量程的沖擊測量,到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。
同時(shí)壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號(hào)到具有剛度高,測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計(jì)也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有很大靈活性,但對某個(gè)特定設(shè)計(jì)的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。
3、電容式加速度傳感器
電容式加速度傳感器工作原理是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。其中一個(gè)電極是固定的,另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移,使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度),還可以進(jìn)一步測出壓力。
電容式加速度傳感器,具有電路結(jié)構(gòu)簡單,頻率范圍寬約為0~450Hz,線性度小于1%,靈敏度高,輸出穩(wěn)定,溫度漂移小,測量誤差小,穩(wěn)態(tài)響應(yīng),輸出阻抗低,輸出電量與振動(dòng)加速度的關(guān)系式簡單方便易于計(jì)算等優(yōu)點(diǎn),具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性,量程有限,受電纜的電容影響,以及電容傳感器本身是高阻抗信號(hào)源,因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量,其通用性不如壓電式加速度傳感器,且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。
4、伺服式加速度傳感器
當(dāng)被測振動(dòng)物體通過加速度計(jì)殼體有加速度輸入時(shí),質(zhì)量塊偏離靜平衡位置,位移傳感器檢測出位移信號(hào),經(jīng)伺服放大器放大后輸出電流,該電流流過電磁線圈,從而在永久磁鐵的磁場中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力,迫使質(zhì)量塊回到原來的靜平衡位置,即加速度計(jì)工作在閉環(huán)狀態(tài),傳感器輸出與加速度計(jì)成一定比例的模擬信號(hào),它與加速度值成正比關(guān)系。
伺服式加速度傳感器工作原理是一種閉環(huán)測試系統(tǒng),具有動(dòng)態(tài)性 能好、動(dòng)態(tài)范圍大和線性度好等特點(diǎn)。其工作原理,傳感器的振動(dòng)系統(tǒng)由“m-k”系統(tǒng)組成,與一般加速度計(jì)相同,但質(zhì)量m上還接著一個(gè)電磁線圈,當(dāng)基座上有 加速度輸入時(shí),質(zhì)量塊偏離平衡位置,該位移大小由位移傳感器檢測出來,經(jīng)伺服放大器 放大后轉(zhuǎn)換為電流輸出,該電流流過電磁線圈,在永久磁鐵的磁場中產(chǎn)生電磁恢復(fù)力,力圖使質(zhì)量塊保持在儀表殼體中原來的平衡位置上,所以伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。
由于有反饋?zhàn)饔?,增?qiáng)了抗干擾的能力,提高測量精度,擴(kuò)大了測量范圍,伺服加速度 測量技術(shù)廣泛地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中,在高精度的振動(dòng)測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。
5、三軸加速度傳感器
也是基于加速度傳感器工作原理去實(shí)現(xiàn)工作的,加速度是個(gè)空間矢量,一方面,要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),必須測得其三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量;另一方面,在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場合下,只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來檢測加速度信號(hào)。
由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的,因此用三軸加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0-360度的傾角,通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為60度的情況。
目前的三軸加速度傳感器/三軸加速度計(jì)大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理,產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化,通過相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。
三軸加速度傳感器具有體積小和重量(gm)輕特點(diǎn),可以測量空間加速度,能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì),在航空航天、機(jī)器人、汽車和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
標(biāo)簽: 加速度傳感器
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