加速度傳感器及壓電式傳感器應用

1、加速度傳感器及壓電式傳感器應用摘要：加速度傳感器是一種慣性傳感器，它能感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，被廣泛 用于航空航天、武器系統(tǒng)、汽車、消費電子等。通過加速度的測量，本文簡單介紹了加速 度傳感器的種類、原理及相關(guān)應用并著重介紹了壓電式加速度傳感器。 關(guān)鍵詞：加速度，傳感器，應用一加速度傳感器概況加速度檢測是基于測試儀器檢測質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量，加速度檢測廣泛應用于航天、航空和航海的慣性導航系統(tǒng)及運載武器的制導系統(tǒng)中，在振動試驗、地震監(jiān)測、爆破工程、地基測量、地礦勘測等領域也有廣泛的應用。 測量加速度，目前主要是通過加速度傳感器（俗稱加速度計），并配以適當?shù)?/p>

2、檢測電路進行的，在（164）Hz的設備頻率下典型的加速度測量范圍為（0. 110）g。加速度傳感器的種類繁多，依據(jù)對加速度計內(nèi)檢測質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力的檢測方式來分，加速度計可分為壓電式、壓阻式、應變式、電容式、振梁式、磁電感應式、隧道電流式、熱電式等；按檢測質(zhì)量 的支承方式來分，則可分為懸臂梁式、擺式、折疊梁式、簡支承梁式等。多數(shù)加速度傳感器 是根據(jù)壓電效應的原理來工作的，當輸入加速度時，加速度通過質(zhì)量塊形成的慣性力加在壓電材料上，壓電材料產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比，輸出電量經(jīng)放大后就可檢測出加速度大小。下表為部分加速度計的檢測方法及其主要性能特點。型式測量范圍靈偏穩(wěn)定性分辨力特

3、點壓電式（5加）gdF4）g（1。勺胖）g固有頻率較局，用于沖擊 及振動測量，大地測量及 慣性導航等應變式±（0.5200）g低頻響應較好，固有頻率 低，適用于低頻振動測量壓阻式±（2010希靈敏度較局，便于集成化， 耐沖擊，易受溫度影響液浮擺式±（115）g（10書1岬）9（Q-60、）g帶力反饋和溫控，分辨力 局，成本較局，適用于慣 性導航石英撓性土 (1030)g(5 10-5 x 6 x時)g(60-5)g局可靠、局穩(wěn)定、局分辨 力、成本較局，適用于慣 性導航、運載武器制導及 微重力測量振梁式±(201200)g(2.5XTTOFg體積小，重量輕

4、，成本低， 可靠性好，適用于戰(zhàn)術(shù)導 彈等制導微機電式土 (110 人 5)g(呻10)g(im)g尺寸小，重量輕，成本低， 適用于汽車安全防護，戰(zhàn) 術(shù)武器制導和慣性導航部分加速度計的檢測方法及其主要性能特點從測量維數(shù)上來看，單維的加速度傳感器技術(shù)比較成熟，絕大多數(shù)加速度傳感器為一維型（單軸）,而微慣性系統(tǒng)以及其他些應用場合常常需要雙軸或者三軸的加速度傳感器來檢測加 速度矢量，目前市場上有越來越多的產(chǎn)品應用了雙軸以及三軸加速度傳感器。如美國美新半導體有限公司（MEMSIC）開發(fā)出了用于車身控制的雙軸加速度傳感器，該產(chǎn)品的特點是沒有 機械可動部分，而且產(chǎn)品供貨后的故障發(fā)生率一直控制在一位數(shù)多的pp

5、m值。意法半導體公司推出了一款全新數(shù)字信號輸出三軸加速傳感器LIS331HH，其最大測量值達到 24 g,相當于F1賽車在強勁剎車時產(chǎn)生加速度的5倍左右，可在消費電子和工業(yè)應用中實現(xiàn)高精確度的測量?，F(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科 學測量等領域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應用新興的微機械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應運而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實 現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機械結(jié)構(gòu)制作精確、重復性好、易于集成化、適于大批

6、量 生產(chǎn)，它的性能價格比很高。 可以預見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場中占主導地位。微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。壓阻式應變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(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計具有很大的靈活性 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。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體

7、的設計和應用具有很大靈活性，但對某個特定設計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠高于壓電型加速度傳感器。電容式電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環(huán)境適應性好等特點，尤其是受溫度的影響比較??； 但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電

8、纜的電容影響， 以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應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。二壓電式加速度傳感器測量原理壓電加速度傳感器采用具有壓電效應的壓電材料作基本元件，是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。這些壓電材料，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電的狀態(tài)；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。壓電加速 度傳感器的原理如圖一所示

9、。實際測量時，將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起。當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性 力的作用，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷（電壓）。當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時 傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比。由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷， 而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把 傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鹘?jīng)過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示儀表或記錄器，從而得出物體的加速度。質(zhì)nt塊圖一壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界

10、干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標與材料特性、 設計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和 一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零 頻率的信號。壓電材料可分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，因壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電晶體的大，且采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，故本系統(tǒng)壓電元件采用壓電陶瓷 ，極化方向在厚度方向（z方向）。當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣

11、性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。設質(zhì)量塊作用于壓電元件的力為 p.,支座作用于壓電元件的力為，則有 =Ma_=(M+m)a式中，M為質(zhì)量塊質(zhì)量；m為晶片質(zhì)量；a為物體振動加速度。由上式可得晶片中厚度方向（z方向）任一截面上的力為F=Ma+ma（1-z/d）式中d為晶片厚度。則平均力為島抑曲+卿彳）也=（M+：m）a因晶片為壓電陶瓷，極化方向在厚度方向（z方向），作用力沿著z方向，故此時外加應力只有 Ta， 不等于零，其平均值為式中A為晶片電極面面積。選用D型壓電常數(shù)矩陣，得電荷Q=磁法=:，-式中d醛為壓電常數(shù)。由于質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬鴇或其他金屬制成，而晶片很薄，

12、即有Mm,故通常寫為Q= - Ma有上式可知，壓電元件的Q與血；：、M成正比，根據(jù)測量電荷就可得到加速度。構(gòu)成元件常用的壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式如圖二所示。S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是壓電元件，R是夾持環(huán)。圖中a是中央安裝壓縮型，壓電元件一質(zhì)量塊一彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心 支柱上，支柱與基座連接。這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元 件，并使預緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。圖中 c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其 夾牢在三角形中心柱上。 加速度計感受軸向振動時， 壓電元件承受切應力。 這種結(jié)構(gòu)對

13、底座 變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。 圖中b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形 壓電元件上。由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。（時中心察霰壓編型（b）環(huán)形剪切型（0三席剪劫型圖二幅頻特性圖三測量電路由壓電元件的工作原理可知 ，壓電式傳感器可看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為式中A為晶片電極面面積； &為壓電材料的相對介電常數(shù)；句為真空介電常數(shù)。因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相

14、串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高而輸出能量較小，因此,它的測量電路通常需接入一個高輸入阻抗的前置放大器把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。(2) 放大傳感器輸出的微弱信號。本設計中前置放大器采用電荷放大器。，其作用如下壓電傳感器在實際使用時與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容C?放大器輸入電阻R輸入電容q及壓電傳感器的泄漏電阻 R,這樣壓電傳感器在系統(tǒng)中 的實際等效電路如圖四所示圖四圖中，A必運算放大器增益。由于運算放大器的&極高，而M q，所以可認為&和L 是開路的。設運算放大器輸入電壓為，輸出電壓為.，根據(jù)運算放大器理論和電路理論得電荷量為Q=&

15、quot; I ' -：.+匕)式中C占為反饋電容。將U口二-A；：代入上式得U若放大器開環(huán)增益足夠大，滿足(i+&)(:江+Q),上式則可表示為由上式在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時，即使聯(lián)接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化 這是電荷放大器的突出優(yōu)點。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)壓電加速度測量系統(tǒng)組成電路結(jié)構(gòu)如圖五所示。壓電加速度傳感器是將被測加速度的變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化；電荷放大器將傳感器輸出的微弱信號放大；信號處理電路將信號轉(zhuǎn)化為適合A/D轉(zhuǎn)換的信號；處理后的電壓信號通過 A/D轉(zhuǎn)換后傳送到單片機系統(tǒng)，通過

16、計算機對數(shù) 據(jù)進行處理分析再輸出。壓電加速闋勺感器電荷放大器桔 弓處理電路A處理電路一*圖五由于壓電陶瓷的壓電特性易受溫度影響，熱脹冷縮造成的機械形變也會對輸出產(chǎn)生影響，而普通的壓電加速度傳感器都不具備補償功能，直接將其應用，可靠性不好。環(huán)境溫度對傳感器的影響主要有壓電材料的特性參數(shù)、壓電材料的熱釋電效應和傳感器結(jié)構(gòu)3個因素。環(huán)境溫度變化會使壓電材料的壓電常數(shù)dn、介電常數(shù)£、電阻率p和彈性系數(shù)k等機電特性參數(shù)發(fā)生變化。dn和k的變化將影響傳感器的輸出靈敏度；£和p的變化會導致時間常數(shù) t =RC的變化，從而使傳感器的低頻響應變化。由于金屬材料與陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)相差較大

17、,當溫度發(fā)生變化時,質(zhì)量塊與支撐臺間的距離會有微小變化,從而質(zhì)量塊對壓電陶瓷的預壓力發(fā)生變化；而壓電陶瓷本身也受溫度影響，因此,有必要進行溫度補償。溫度補償?shù)姆椒ㄊ峭ㄟ^實驗對傳感器在不同溫度下所產(chǎn)生的 溫度漂移值進行標定，將標定結(jié)果以數(shù)據(jù)表的格式存入單片機中。實際測量中，單片機根據(jù)測得的溫度自動進行結(jié)果的修正。靈敏度壓電式加速度計的靈敏度壓電加速度計屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。前者是加速度計輸出電壓（ mV）與所承受 加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。加速度的計量單位為遣您,在工程應用中常用重力加速度g= 9.81

18、 m/s3作計量單位。這是一種已為大家所接受的表示方式，幾乎所有測振儀器都用 g作為加速度單位并在儀器的板面上和說明書中標出。對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。一般來說，加速度計尺寸越大，其固有頻率越低。因此選用加速度計時應當權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應特性之間的利弊。 壓電晶體加速度計的橫向靈敏度表示它對橫向（垂直于加速度計軸線）振動的敏感程度，橫向靈敏度常以主靈敏度（即加速度計的電壓靈敏度或電荷靈敏度）的百分比表示。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應小于主靈敏度的3%。因此，壓電式加速度計在測試時具

19、有明顯的方向性。誤差形成因素分析壓電加速度計的前置放大器壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊界上的導體充電到電壓 U=q/Ca （這里Ca是加速度計的內(nèi)電容）。要測定這樣微弱 的電荷（或電壓）的關(guān)鍵是防止導線、測量電路和加速度計本身的電荷泄漏。換句話講，壓電加速度 計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內(nèi)， 壓電式傳感器的前置放大器有：電壓放大器和電荷放大器。 所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。其電路比較簡單，但輸出受連接電纜對地電容的影響，適用于一般振動測量。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。在電

20、荷放大器中，通常用高質(zhì)量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。從壓電式傳感器的力學模型看，它具有“低通”特性，原可測量極低頻的振動。但實際上由 于低頻尤其小振幅振動時，加速度值小，傳感器的靈敏度有限，因此輸出的信號將很微弱， 信噪比很低；另外電荷的泄漏，積分電路的漂移（用于測振動速度和位移）、器件的噪聲都是不可避免的，所以實際低頻端也出現(xiàn)“截止頻率”，約為0.11Hz左右。三應用加速度傳感器應用范圍廣泛，一般來講它有六種檢測感應功能：傾斜度檢測、運動檢測、定 位檢測、震動檢測、振動檢測和自由落下檢測。傾斜度檢測加速度傳感器水平放置時，在重力作用下經(jīng)激勵有一定幅度的輸出，當與重力方向有傾角時，

21、傳感器信號輸出幅度會有所變化，對兩種狀態(tài)下信號輸出進行比較計算可推算出傾斜角的大小，應用雙軸、三軸加速度傳感器就可測出任意傾斜角的大小和方向。利用加速度傳感器測量傾斜度的這種檢測感應功能，加速度傳感器可應用于傾斜儀、傾斜度偵測電子羅盤、圖像旋轉(zhuǎn)、文本滾動瀏覽/用戶界面、LCD投影和物理治療法等方面。飛思卡爾半導體公司推出的MMA7260Q三軸加速度傳感器是用于傾角測量的典型應用之一，它以重力為輸入矢量來決定物體在空間的姿態(tài)。把加速度傳感器固定于物體的水平面上，當物體姿態(tài)改變時，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會發(fā)生改變，因此可通過測量加速度的變化來反

22、映物體姿態(tài)的變化。運動檢測在進行運動檢測時，需要考慮幾個因素：如何計算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測軸。 首先應確定位移：計算位移要將加速度進行二重積分，速度部分則需進行一次積分。利用這種運動檢測感應功能，加速度傳感器可應用于運動控制、計步器和基本運動檢測等。國外應用加速度傳感器進行人體運動檢測方面的研究比較廣泛，特別是醫(yī)學臨床輔助診斷、體育運動訓練、人體運動仿真等方面已取得大量研究成果。而國內(nèi)相對來說研究較少。加速度傳感器能獲取人體運動時加速度的頻率和幅度，且其安裝簡便、體積小，能滿足人體運動評估檢測的要求。CarhjnV . C. Bouten等人采用壓阻式三軸加速度傳感器測量人體運動

23、加速度與能量消耗的關(guān)系。此三軸加速度傳感器是由3個單維壓阻式加速度傳感器正交地安裝在一個很輕的立方體盒中組成，并由彈性繃帶系與人體腰背部，實現(xiàn)對人體在坐、行走等日?；顒舆\動中加速度的測量，并獲得加速度值與人體運動能量消耗的關(guān)系。運用加速度傳感器測量步行運動最為經(jīng)典的研究是Freedson等人采用Actigraph單軸加速度測量了三種速度下的步行(4. 8、6. 4、9. 7km/h,分別代表正常步速行走、快走和慢跑)。定位檢測利用定位檢測感應功能，加速度傳感器可應用于汽車導航、防盜設備和地圖跟蹤等。定位的精確程度是衡量系統(tǒng)陛能優(yōu)劣的重要指標，因為導航系統(tǒng)等功能就是幫助用戶確定位置并提供正確的操

24、作指示。目前，常用的定位手段有慣性導航定位、GPS衛(wèi)星定位和組合導航定位等。在車載導航系統(tǒng)中，加速度傳感器完成車輛瞬時加速度的數(shù)據(jù)采集任務，然后根據(jù)推算定位法計算出當前位置相對于已知參考位置之間的偏移， 從而得到車輛的絕對位置。 在短時間內(nèi)， 利用這種方法得到的定位精度很高， 在平均加速度28.4的情況下，l0秒鐘內(nèi)得到的定位誤 差大約是0.5m。AD公司出品的一款雙軸加速度測量系統(tǒng) ADXL202的定位方法是慣性導航 定位的一種，雖然按照上述方法在短時間內(nèi)精度很高， 但隨著時間增加，誤差積累效應越來 越大，會嚴重影響導航精度。因此，通常用加速度傳感器和G/X5 一起組合成為組合導航系統(tǒng)，以此提高定位精度，增強系統(tǒng)性能。GPS系統(tǒng)是通過接收三顆呈 120度分布的衛(wèi)星信號來最終確定物體的方位。在一些特殊的 場合和地貌，比如遂道、高樓林立區(qū)和從林地帶，GPS信號會變差或完全失去，這種區(qū)域叫做死角。而通過安裝加速度傳感器和慣性導航，就可以進行系統(tǒng)死區(qū)的測量。對加速度傳感器進行一次積分，就變成單位時間內(nèi)的速度變化量，從