微型加速度计

微型加速器计电科142唐延刚14461223

基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研究中最具活力与现实意义的领域。微加速度传感器作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。采用微机电技术制造的微加速度传感器在寿命、可靠性、成本、体积和重量等方面都要大大优于常规的加速度传感器，使得其无论在民用领域，还是在军用领域都有着广泛的应用。在军用上可用于各种飞行装置的加速度测量、振动测量、冲击测量，尤其在武器系统的精确制导系统、弹药的安全系统、弹药的点火控制系统有着极其广泛的应用前景。微型加速计概况

加速度计是根据惯性原理相对惯性空间工作。直接测量加速度本身是很困难的，虽然载体的加速度可以通过位移传感器或速度传感器获得，但通常大多数加速度计是借助敏感质量将加速度变成力进行间接测量的。根据牛顿第二定律，作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度。换言之，加速度作用在敏感质量上，敏感质量将其感应为惯性力，测量该惯性力，就可以间接地测量到载体的加速度。加速器计工作原理力学模型图惯性式加速度传感器工作原理加速度计一般是利用质量为m的敏感质量块（振动块）来测加速度的。外部加速度对质量块发生作用，我们通过测量质量块的位移（振幅）。其动态特性可由二级微分方程表示。也可以测量保持其位置不变所需的力，这时，需要有一个闭环控制系统，也称为有源加速计，基于牛顿第二定律，来得出加速度值。加速度计是一种高固有频率的传感器，而微加速度传感器，由于尺寸微小，刚度大，其固有频率是很高的，所以被广泛应用。微型加速度计的基本原理大致相同，但有很多种类型，如压阻式、电容式、压电式、热传导式、隧道式等。压电式加速度传感器的性能和参数与压阻式加速度传感器的性能和参数一样，包括灵敏度、频率响应、精度误差等。但是，两者性能有较大差别，例如压电式加速度传感器是电容性的，高阻抗，而压阻式加速度传感器是电阻性，低阻抗;压电式加速度传感器的频响范围较窄，在恒定方向加速度下压电式加速度传感器不输出信号，通常其频响范围为2～270Hz;压电式加速度传感器的误差较小，通常约为压阻式加速度传感器的一半。加速器计的分类微型压阻式加速度计电容式加速计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计高得多。加速器计的分类微型电容式加速度计隧道电流型加速度计是一种高精度的微机械加速度计，它是将微硅机械结构与基于电子隧道效应的高灵敏测量新技术结合在一起形成的。其基本原理是利用在窄的真空势垒中的电子隧道效应，利用原子线度针尖与电极之间的隧道电流变化来检测加速度。隧道电流对针尖与电极之间的距离变化非常敏感，外界加速度引起针尖与电极之间的相对位移，会导致隧道电流对位移的指数变化。可以用力反馈的方法保持隧穿电流的恒定。这样加速度变化引起的惯性力变化就可以通过静电平衡力来检测。其缺点是需要闭环控制电路和电压的长期漂移，而且该类型的加速度计不能检测静态加速度输入。加速器计的分类微型隧道式加速度计压电式加速度计是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度计具有动态范围大、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。虽然压电式加速度计的结构简单，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。加速器计的分类微型压电式加速度计02040103灵敏度：一般来说，越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感，输出电压的变化也越大，这样就比较容易测量，从而获得更精确的测量值。带宽：这里的带宽实际上指的是刷新频率范围。也就是说每秒钟，传感器会产生多少次读数。对于一般只要测量倾角的应用，50HZ的带宽应该足够了，但是对于需要进行动态性能，比如振动，你会需要一个具有上百HZ带宽的传感器。测量轴数量：对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些特殊的应用，比如UAV，ROV控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。最大测量值：如果你只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个±1.5g加速度传感器就足够了。但是如果你需要测量机器人的动态性能，±2g也应该足够了。要是你的机器人会有比如突然启动或者停止的情况出现，那你需要一个±5g的传感器。性能指标传感器的前景和发展全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延