传感器(作业)

1、制作团队：杨帆制作团队：杨帆 杨丹杨丹 王娇王娇指导教师：张玉燕指导教师：张玉燕 目录目录 加速度测量的必要性分析加速度测量的必要性分析加速度传感器的定义加速度传感器的定义加速度传感器的分类加速度传感器的分类电容式加速度传感器电容式加速度传感器传感器适用范围传感器适用范围应用实例应用实例发展趋势发展趋势 加速度测量的必要性加速度测量的必要性准确测量地球各点的绝对重力加速度值，对国防建设、经济建设和准确测量地球各点的绝对重力加速度值，对国防建设、经济建设和科学研究科学研究 有着十分重要的意义。有着十分重要的意义。 比如，远程洲际弹道导弹、人造地球卫星、宇宙飞船等都在地球重比如，远程洲际弹道导弹、

2、人造地球卫星、宇宙飞船等都在地球重力场中运动。在设计太空飞行器时，也要首先知道准确的重力场数力场中运动。在设计太空飞行器时，也要首先知道准确的重力场数据。为提高导弹射击准确度，必须准确测量导弹发射点和目标的位据。为提高导弹射击准确度，必须准确测量导弹发射点和目标的位置，同时也必须准确掌握地球形状和重力资料。据有关资料表明，置，同时也必须准确掌握地球形状和重力资料。据有关资料表明，1万公里射程洲际导弹在发射点若有万公里射程洲际导弹在发射点若有 的重力加速的重力加速度误差，则将造成度误差，则将造成50米的射程误差；发射卫星最后一级火箭速度若米的射程误差；发射卫星最后一级火箭速度若有千分之二的相对误

3、差，卫星就会偏离预定轨道近百公里，甚至导有千分之二的相对误差，卫星就会偏离预定轨道近百公里，甚至导致发射失败。在地震预报中，如果地壳上升或下降致发射失败。在地震预报中，如果地壳上升或下降10毫米，将引起毫米，将引起 的重力加速度变化。的重力加速度变化。 毫伽）（秒米2 . 02/6102微伽）（秒米32/8103定义：能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器。应用学科：机械工程（一级学科）；传感器（二级学科）； 物理量传感器（三级 学科）。 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。加速度计有两种：

4、一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的。另一种就是线加速度计。压电式加速度传感器压电式加速度传感器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。压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。压阻式加速度传感器的应用可以分为系统反馈和导航仪器两种。前者是用于

5、控制系统作为加速度信号反馈之用，后者是检测导航仪器的加速度。电容式加速度传感器电容式加速度传感器电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。MS9010电容式传感器电容式传感器Colibrys的MS9000惯性加速度传感器是一种新的超小型产品，适用于恶劣的使用环境和耐用度要求极高的应用领域。这种换代产品采用了LCC20(8.9mm x 8.9mm)陶瓷封装，具有从2g到250g广泛的加速度测量范

6、围。该传感器可在较大的温度范围应用并且全使用寿命器件零位稳定保证在几mg以内。 Colibrys MS9000系列是一个电容式MEMS加速度计，它是由一个立体微加工工艺支撑的硅元件，一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个存储补偿值的微控制器以及一个温度传感器等元件组成。该产品是一个低功耗的、校准的、功能强大和性能稳定的产品，其电子配置中带有一个电源重置以防止电压不稳的全保护装置。伺服式加速度传感器伺服式加速度传感器伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性 能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由 m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈

7、，当基座上有 加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器 放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度 测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。 电容式加速度传感器电容式加速度传感器传感器的结构简图传感器的结构简图 电容式加速度传感器的原理结构如图：电容式加速度传感器的原理结构如图： 由图可见，它实际上是变介子电容式位移由图可见

8、，它实际上是变介子电容式位移 传感器，配接传感器，配接“m-k-c”系统构成的。质量系统构成的。质量 块由块由1根弹簧放置于壳体内，质量块的左根弹簧放置于壳体内，质量块的左 边连接介子，通过质量块的动作带动介子边连接介子，通过质量块的动作带动介子 的运动，从而改变了介电常数。的运动，从而改变了介电常数。传感器的等效原理图传感器的等效原理图 电容式加速度传感器的等效原理图电容式加速度传感器的等效原理图如图所示。图中，右侧标尺表示与大地如图所示。图中，右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基保持相对静止的运动参考点，称为静基准，准，x表示被测物体及传感器底座相对表示被测物体及传感器底座

9、相对于该参考点的位移，称为绝对位移，于该参考点的位移，称为绝对位移，y表示质量块表示质量块m相对于传感器底座的位移，相对于传感器底座的位移，称为相对位移。称为相对位移。x和和y之间关系可用典型之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述：二阶比常系数微分方程描述：式中： 为自振角频率， ；为阻尼系数， ；C为空气阻尼。而位移x，速度v，加速度a三者之间关系为： 0mk0mkC2代入式（1）得：（2）经拉式变换得“mkc”系统的传递函数：myma令 ，可求得质量块相对运动的位移振幅 与被测物体绝对运动的加速度振幅 的关系为：式（4）具有低通滤波特性。由此可见，当 时：0传感器壳体的位移y与电容的关系

10、为：式中k为一个传递系数。电容式传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示：如图8所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为： 对变极距型电容传感器，代入上式得差动电容计算及特性分析差动电容计算及特性分析对于气隙型电容传感器，其电容值为对于气隙型电容传感器，其电容值为 ，电容式加速的电容，电容式加速的电容变化量为：变化量为： 令：令： ，则：，则： 令：令： ，则：，则： 则特性曲线为下图：则特性曲线为下图： dSC/0 xXCC00CCyxy 特性曲线00/CC 电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低时，容抗更高。如果两极板之间的漏电组与此容抗相接近时，就必须考虑分路作用对

11、系统灵敏度的影响。它将使传感器的灵敏度下降。因此应选用绝缘性能很好的陶瓷、石英、聚四氟乙烯等材料作为两极板之间的支架，可大大提高两极板之间的漏电组。当然，适当的提高激励电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求。 电容式加速度传感器的技术要求电容式加速度传感器的技术要求壳体固定要求壳体固定要求 整个壳体需要固定在被测运动物体之上，壳体与被测物体不能整个壳体需要固定在被测运动物体之上，壳体与被测物体不能有相对运动，或者说不能有相对加速度。有相对运动，或者说不能有相对加速度。 如果壳体与被测运动物体没有结合在一起，之间有相对加速度，如果壳体与被测运动物体没有结合在一起，之间有相对加速度，则测量出来的

12、加速的包含了一个与这个相对加速度方向相反的加速则测量出来的加速的包含了一个与这个相对加速度方向相反的加速度，导致误差。度，导致误差。 措施：把壳体用螺钉栓在被测体之上。措施：把壳体用螺钉栓在被测体之上。滑块与壳体接触面的光滑度要求滑块与壳体接触面的光滑度要求 本加速度传感器主要是利用滑块的惯性运动，经传感显示出加速本加速度传感器主要是利用滑块的惯性运动，经传感显示出加速度。度。如果滑块与壳体接触面光滑度不够，则必然不能很好的显示出加速度如果滑块与壳体接触面光滑度不够，则必然不能很好的显示出加速度的变化情况。的变化情况。 减少误差的措施：减少误差的措施： （1）接触面尽量光滑。从硬件上加大加工减

13、少摩擦，使这个影）接触面尽量光滑。从硬件上加大加工减少摩擦，使这个影 响变小。响变小。 （2）加强表面加工；加注润滑油。）加强表面加工；加注润滑油。 测控电路的要求测控电路的要求 测控电路的作用是将信号放大，并转换成所需要的信号类型。测控电路的作用是将信号放大，并转换成所需要的信号类型。这里，测控电路需要把信号放大，且把模拟信号要转变成数字信号，这里，测控电路需要把信号放大，且把模拟信号要转变成数字信号，利用单片机显示在频幕上。利用单片机显示在频幕上。 然而信号是极其微弱的，电路之中一个器件发出的噪声也许能然而信号是极其微弱的，电路之中一个器件发出的噪声也许能比这个信号要大。所以测控电路一定要

14、滤除干扰信号。所以，在测比这个信号要大。所以测控电路一定要滤除干扰信号。所以，在测控电路之上一定要加屏蔽措施。控电路之上一定要加屏蔽措施。 措施：外加屏蔽罩；内加屏蔽电路。措施：外加屏蔽罩；内加屏蔽电路。单片机程序要求单片机程序要求 经过传感器的信号最后经过经过传感器的信号最后经过A/D转换由单片转换由单片机显示出来。但是系统存在很多影响因素，这机显示出来。但是系统存在很多影响因素，这些因素导致测量误差。对于误差的处理我们一些因素导致测量误差。对于误差的处理我们一般选用误差补偿，把损失的量值加在结果之中。般选用误差补偿，把损失的量值加在结果之中。所以在单片机的显示程序之中，应该由测量数所以在单

15、片机的显示程序之中，应该由测量数据和这个误差值所组成。据和这个误差值所组成。 传感器适用范围传感器适用范围1、影响适用范围的因素 除了之上所述，摩擦影响测量精度。还有就是地球万有引力作用，如果被测物体不是在水平线上运动，而是斜向上，或者斜向下。这时候，即使物体是停放在一个斜坡之上，按传感器的设计，这里也会有加速度显示。显然这是不行的。所以单单这个传感器，只能适用于水平直线运动。显然，这个适用范围很窄。2、加设重力加速度传感器 由于重力的影响，使传感器只能适用于水平的运动中。但是如果加设一个重力在运动线上分量测量的传感器，然后用之前传感器的测量减去这个分量的线性叠加。这样就可以避开重力的影响。

16、特殊情况，如果运动在垂直线上，测量结果减去一个重力加速度就可以了。 应用实例应用实例在现代生产生活中被应用于许许多多的方法，如手提电脑的硬盘抗在现代生产生活中被应用于许许多多的方法，如手提电脑的硬盘抗衰保护，目前用的数码相机和摄像机里，也用来检测拍摄时候的手衰保护，目前用的数码相机和摄像机里，也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。压电加速度传部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。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。能方面。磁悬浮列车摆式列车转向架 加速度测量

17、的发展趋势加速度测量的发展趋势 随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于生产生活的各个技术领域。可以说，测试技术与来越广泛地应用于生产生活的各个技术领域。可以说，测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志，是现代信息技术的重要支柱技术之一。目前，越来越多的新标志，是现代信息技术的重要支柱技术之一。目前，越来越多的新型传感器出现在我们的生活中，传感器正在向新型多品种、高精度型传感器出现在我们的生活中，传感器正在向新型多品种、高精度即小型化、集成化、多功能智能化方向发展。近年来随着科学技术即小型化、集成化、多功能智能化方向发展。近年来随着科学技术的发展，电容式传感器的缺点不断地被克服，应用也越来越广泛，的发展，电容式传感器的缺点不断地被克服