加速度傳感器ppt課件

1、1加速度傳感器速度表示物體運(yùn)動快慢的物理量加速度表示物體運(yùn)動速度變化快慢的物理量2加速度傳感器定義能感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器圖1 壓電式加速度傳感器圖2 壓阻式加速度傳感器圖3 電容式加速度傳感器3根據(jù)牛頓第二定律：A（加速度）=F（力）/M(質(zhì)量)只需測量作用力F就可以得到已知質(zhì)量物體的加速度。利用電磁力平衡這個(gè)力，就可以得到作用力與電流（電壓）的對應(yīng)關(guān)系，通過這個(gè)簡單的原理來設(shè)計(jì)加速度傳感器。本質(zhì)是通過作用力造成傳感器內(nèi)部敏感部件發(fā)生變形，通過測量其變形并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出，得到相應(yīng)的加速度信號。加速度傳感器的原理4壓電式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器電容式加速度傳感器

2、伺服式加速度傳感器加速度傳感器的分類5某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會產(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)”。具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。壓電式加速度傳感器工作原理壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。圖4 壓電效應(yīng)原理圖6圖a是中央安裝壓縮型，壓電元件質(zhì)量塊彈簧系統(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(shí)，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(yù)緊力發(fā)生變化，

3、 易引起溫度漂移。圖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(jì)感受軸向振動時(shí)，壓電元件承 受切應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對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(jì)，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。壓電式加速度傳感器構(gòu)成圖5 壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)S是彈簧M是質(zhì)量塊B是基座P是壓電元件R是夾持環(huán)。7壓電式加速度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的

4、直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。圖6 壓電式j(luò)加速度傳感器8壓電式加速度傳感器在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦壓電式加速度傳感器應(yīng)用圖7 攝像機(jī)圖8 電腦硬盤9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，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

5、橋輸出電壓變化，以此實(shí)現(xiàn)對加速度的測量。壓阻式加速度傳感器原理圖9 壓阻式加速度傳感器原理圖10壓阻式硅微加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式有很多種，已有懸臂梁、雙臂梁、4梁和雙島-5梁等結(jié)構(gòu)形式。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式及尺寸決定傳感器的靈敏度、頻 響、量程等。質(zhì)量塊能夠在較小的加速度作用下，使得懸臂梁上的應(yīng)力較大，提高傳感器的輸出靈敏度。在大加速度下，質(zhì)量塊的作用可能會使懸臂梁上的應(yīng)力超過 屈服應(yīng)力，變形過大，致使懸臂梁斷裂。為此高gn值加速度擬采用質(zhì)量塊和梁厚相等的單臂梁和雙臂梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。壓阻式加速度傳感器構(gòu)成圖10 單臂梁結(jié)構(gòu)圖11 雙臂梁結(jié)構(gòu)11壓阻式加速度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小、頻

6、率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復(fù)雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測 量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度.缺點(diǎn)：對溫度的漂移較大，對安裝和其它應(yīng)力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時(shí)所需的準(zhǔn)確度。圖12 壓阻式加速度傳感器12壓阻式加速度傳感器已用在步進(jìn)電機(jī)作為動力機(jī)械的控制系統(tǒng)中。廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測試儀器、設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域。壓阻式加速度傳感器應(yīng)用圖13 步進(jìn)電機(jī)圖14 繪圖機(jī)13電容式加速度傳感器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

7、。這種傳感器可以測量氣流（或液流）的振動速度（或加速度），還可以進(jìn)一步測出壓力。電容式加速度傳感器工作原理圖15 電容式加速度傳感器原理圖14右側(cè)標(biāo)尺表示與大地保持相對靜止的運(yùn)動參考點(diǎn)，稱為靜基準(zhǔn)，x表示被測振動體2及傳感器底座1相對于該參考點(diǎn)的位移，稱為絕對位移，y 表示質(zhì)量塊m 相對于傳感器底座1的位移，稱為相對位移。x和y 之間關(guān)系可用典型二階比常系數(shù)微分方程描述。電容式加速度傳感器構(gòu)成圖16 電容式加速度傳感器的等效原理圖15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0450Hz，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

8、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電容式加速度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)圖17 電容式加速度傳感器16在某些領(lǐng)域無可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動設(shè)備等。電容式加速度傳感器應(yīng)用圖19 手機(jī)圖18 安全氣囊17當(dāng)被測振動物體通過加速度計(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，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

9、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，它與加速度值成正比關(guān)系。伺服式加速度傳感器原理圖20 伺服式加速度傳感器原理圖18主要由質(zhì)量塊、彈簧、電磁線圈、永久磁鐵、位移傳感器、伺服放大器、殼體等部分組成。伺服式加速度傳感器構(gòu)成圖21 伺服式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖19優(yōu)點(diǎn)是測量精度和穩(wěn)定性、低頻響應(yīng)等都得到提高，還有分辨率高，高精度，自檢功能，高可靠性等。缺點(diǎn)是體積和質(zhì)量比壓電式加速度計(jì)大很多，價(jià)格昂貴。 伺服式加速度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)圖22 伺服式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖20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

10、高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。道路分級,鉆井測繪,武器視覺設(shè)備,衛(wèi)星天線陣列,平臺控制,軌跡監(jiān)測,地震和土木工程分析伺服式加速度傳感器應(yīng)用圖23 鉆井圖24 衛(wèi)星天線21幾種加速度傳感器的比較分類壓電式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器電容式加速度傳感器伺服式加速度傳感器特點(diǎn)體積小，質(zhì)量輕，工作頻帶寬體積小、低功耗等結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)動態(tài)性 能好、動態(tài)范圍大和線性度好應(yīng)用儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測報(bào)警系統(tǒng)，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測試儀

11、器、設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域在安全氣囊，手機(jī)移動設(shè)備等領(lǐng)域無可替代廣泛地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，在高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用22基于加速度傳感器的計(jì)步器STC89C52單片機(jī)速度傳感器MMA7455LCD1602按 鍵 圖一 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖23 基于加速度傳感器的計(jì)步器 圖二 單片機(jī)最小系統(tǒng)24基于加速度傳感器計(jì)步器圖三 液晶16021602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：引腳1：VSS為電源地 引腳2：VCC接5V電源正極 引腳3：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高 引腳4：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。 引腳5

12、：RW為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 引腳6：E(或EN)端為使能端,高電平時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。 引腳714：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 引腳1516：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。25基于加速度傳感器的計(jì)步器Number of steps：run 12Number of steps：stop 12圖四 LCD1602顯示開始圖五 LCD1602顯示停止液晶顯示run說明現(xiàn)在如果你在行走數(shù)就會自動增加。液晶顯示stop說明現(xiàn)在不論你怎么走數(shù)都不會再變化，查看當(dāng)前歩數(shù)。此處顯示開始或停止此處顯示歩數(shù)26基于加速度傳感器的計(jì)步器三個(gè)按鍵分別接單片

13、機(jī)的P30,P31,P32口。其中按鍵S2是開始，在計(jì)步器通電后，按開始按鍵才能計(jì)數(shù)，不按開始鍵則無法計(jì)數(shù)。按鍵S3為停止鍵，在計(jì)步器工作到一段時(shí)間使用者希望查看當(dāng)前計(jì)步狀態(tài)，則可以停止當(dāng)前計(jì)步。按鍵S4為重新開始，特別注意的是重新開始無需再按按鍵一，即可在原有的步數(shù)上繼續(xù)計(jì)步。如要清零，則可以使用單片機(jī)復(fù)位鍵。圖六 按鍵控制27圖七 加速度傳感器MMA7455 MMA7455是一款數(shù)字輸出（I2C/SPI）、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械加速度計(jì)，具有信號調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自測、可配置通過中斷引腳（INT1或INT2）檢測0g、以及脈沖檢測（用于快速運(yùn)動檢測）等功能。0g 偏置和靈敏度

14、是出廠配置，無需外部器件?？蛻艨墒褂弥付ǖ?g 寄存器和g-Select 量程選擇對0g 偏置進(jìn)行校準(zhǔn)， 量程可通過命令選擇 3 個(gè)加速度范圍（2g/4g/8g）。輸出精確，體積小，工作可靠，各種標(biāo)識清晰，擴(kuò)展性好等特點(diǎn)?；诩铀俣葌鞲衅鞯挠?jì)步器28對于MMA7455的引腳功能：引腳1 DVDD_IO為3.3V 電源輸入端（數(shù)字） 引腳2 GND 為接地線 引腳3 N/C為空引腳，不接或接地 引腳4 IADDR0為I2C地址0位 引腳5 GND為接地 引腳6 AVDD為3.3V 電源輸入端（模擬） 引腳7 CS為SPI 使能(0)，I2C 使能(1) 引腳8 INT1/DRDY為中斷1/數(shù)據(jù)就

15、緒 引腳9 INT2為中斷2 引腳10 引腳11 N/C 為空引腳，不接或接地 引腳12 SDO為SPI 串行數(shù)據(jù)輸出 引腳 13 SDA/SDI/SDO為I2C 串行數(shù)據(jù)輸出/SPI 串行數(shù)據(jù)輸入/3 線接口串行數(shù)據(jù)輸出。 引腳14 SCL/SPC為I2C 時(shí)鐘信號輸出/SPI 時(shí)鐘信號輸出。圖八 MMA7455基于加速度傳感器的計(jì)步器29基于加速度傳感器的計(jì)步器模塊主要參數(shù)： Z 軸自測 低壓操作：2.4V 3.6V 用于偏置校準(zhǔn)的用戶指定寄存器 可編程閥值中斷輸出 電平檢測模式運(yùn)動識別（沖擊、震動、自由下落） 脈沖檢測模式單脈沖或雙脈沖識別 靈敏度 64 LSB/g 2g /8g 10

16、位模式 8 位模式的可選靈敏度（2g、4g、8g） 可靠的設(shè)計(jì)、高抗震性（5000g） 環(huán)保型產(chǎn)品 低成本圖九 MMA7455模塊30基于加速度傳感器的計(jì)步器MMA7455加速度傳感器由2部分組成：G-單元和信號調(diào)理ASIC電路。G-單元是機(jī)械結(jié)構(gòu)，它是用半導(dǎo)體制作技術(shù)、由多晶硅半導(dǎo)體材料制成，并且是密封的。積分、放大、濾波、溫度補(bǔ)償、控制邏輯和EEPROM相關(guān)電路、振蕩器、時(shí)鐘生成器、以及自檢等電路組成，完成G-單元測量的電容值到電壓輸出的轉(zhuǎn)換。圖十 G-單元和信號調(diào)理ASIC電路31G-單元的等效電路如圖11所示，它相當(dāng)于在2個(gè)固定的電容極板中間放置1個(gè)可移動的極板。當(dāng)有加速度作用于系統(tǒng)時(shí)，中間極板偏離靜止位置。用中間極板偏離靜止位置的距離測量加速度，中間極板與其中一個(gè)固定極板的距離增