传感器测加速度

传感器检测加速度加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。本文着重介绍三种加速度传感器：MEMSIC加速度传感器、压电式加速度传感器、差动变压器式加速度传感器。一.MEMSIC加速度传感器一个被放置在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向，在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的，此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的，如图1。图1 传感器检测原理垂直剖面图由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而这热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的，在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度，如图2。图2 内部功能方块图MEMSIC加速度传感器的优点：MEMSIC器件是基于单片CMOS集成电路制造工艺而生产出来的一个完整的双轴加速度测量系统，就像其它加速度传感器有重力块一样MEMSIC器件是以可移动的热对流小气团作为重力块，器件通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。MEMSIC传感器中的质量块是气体，气态的质量块同传统的实体质量块相比具有很大的优势MEMSIC的器件不存在电容式传感器所存在的粘连颗粒等问题同时能抵抗50000g的冲击。这使得MEMSIC器件的次品率和故障率很低，通过测量温度变化来确定加速度的变化。MEMSIC加速度传感器的缺点：测量范围比较的小，只适用于小型器件的应用，精度也不能达到非常精确的程度。MEMSIC加速度传感器最大可以测量范围是1g到100g，除了动态加速度，如震动MEMSIC器件还可以测静态加速度，如重力加速度。器件可以提供模拟或数字的输出信号，模拟输出有绝对模式和相对模式两种，绝对模式的输出电压和供电电压无关，而相对模式的输出电压和供电电压成比例。数字输出信号是一种PWM调制后的和加速度大小成正比的占空比信号，高电平占一个周期脉宽的比率，分辨率，也就是能测量到的最小加速度变化量，取决于信号噪声，MEMSIC的典型噪声水平低于1mg/Hz。在低频条件下可以测量到低于1mg的信号频率响应，也就是对快速变化的加速度的反应能力由结构来决定。对器件来说在-3dB处频响为30Hz通过外部扩展，频响可以扩展到160Hz以上。灵敏度温度变化的补偿：所有热电耦式加速度传感器的灵敏度都会随温度而变化。这种灵敏度的变化完全由热传导的物理特性所决定制造过程中的个体差异不会影响这种灵敏度的变化，所以这种灵敏度的变化不存在个体之间的不同。灵敏度随温度的变化遵循公式：其中Si是在任何初始温度Ti如（25°C）时的灵敏度。而Sf是在任何最终温度Tf时的灵敏度。温度单位为绝对温度的幕值系数T在不同类型的器件是会有一些偏差。零点温漂的补偿：同所有其他的加速度测量技术一样，每个MEMSIC器件都有一个特定的零点温漂特性，每个应用方案可接受的零点温漂值各不相同。标准的MEMSIC器件的温漂系数是±2mg/°C。新型的低噪声器件温漂系数小于±1mg/°C，对于高精度应用项目当零点温漂值的精不能满足要求的时候可以逐个测定其温漂系数再进行补偿。进行补偿需要得到每个器件的温漂系数，因为每个器件0g时具有不同的温漂特性。补偿时，一个和温漂相反极性的偏移量被加到了加速度输出信号当中。图3就是一个使用模拟电路进行线性补偿的例子。在这个电路中，加速度传感器的输出被加上或者减去了温度补偿偏移量。图30g温度偏移补偿电路补偿的过程：在室温下启动时将100K电位器的滑片置于VREF端接着在所要补偿的温度下观察器件的温度漂移方向，把开关打到运放的反相输入端，调整电位器，使零点温漂值和室温下的值相同。倾斜测量及最高分辨率：MEMSIC加速度传感器的一个最普遍的应用是用于倾角的测量，加速度传感器通过感知地球重力加速度在其测量轴上的分量的大小来确定物体的倾斜角度。当MEMSIC加速度传感器被水平放置时（两个灵敏轴与水平面平行），它对位置或倾角的化最为敏感。而当它被垂直放置时（两个灵敏轴与水平面垂直），对于位置或倾角变化的敏感度将下降。表1和图4描述了器件从+90°到0°倾斜过程中X轴和Y轴输出值的相应变化。请注意当一根轴（每倾斜一度）的输出变化较小时，另一根轴的输出变化则较大。把两个轴的这一变化特性相互弥补可以设计成一款低价位，精度较高的倾角仪。图4 加速度传感器与重力加速度的相对位置XY独X轴与水平每倾捋一每顿飙一而炊夹他X输出度时交化Y输出度的燮琵(deg)信）血曰900.15o.otwP.45S5以6M7。一例717.37SO().9852.S80.17417.15700.9405.S60.34216.3560IL8668.590.5(015.04450.70712230.70712.23SOU.500[5.U40.866土即2()心50.940S.S6100.P4E7.160.9J152.8K50.0B717.37。彩1.370il:F1.000C.15表1倾斜过程中X轴和Y轴的变化分辨率:加速度传感器的分辨率受其噪声的限制。输出噪声的大小随频带宽度而变化。将低频带宽度，用一个外部低通滤波器，可以降低噪声，提高信噪比和分辨率，输出噪声以测量频宽的平方根为基本刻度，而噪声的峰-峰值决定了分辨率的大小，噪声的峰-峰值近似地等于其均方根值的6.6倍（包括0.1%的平均不确定因素）对于一个简单的低通滤波器，它的均方根噪声可以通过公式计算出来：XlMBU 卜■、谄心|01苔'止「矗匹i7工\应用实例：车辆报警装置。2.压电式加速度传感器压电加速度传感器利用弹簧质量系统原理，压电陶瓷发生微型变，形成压电效应，产生电荷。压电式加速度传感器结构常分为纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种，纵向效应是最常见，如图5所示。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加

速度方向相反的惯性力，此力F=ma；同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为q=d33F=d33ma。运动方向运动方向图5 压电式加速度传感器纵向效应型结构截面图如图6连接方式：图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C?为单片电容C的两倍，但输出电压U?等于单片电压U,极板上电荷量q?为单片电荷量q的两倍，即矿=2q； C=2C;图(b)为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q?等于单片电荷q，而输出电压U?为单片电压。的二倍，总电容C?为单片电容C的一半，i]1=0U'=21AC=-2（可并胰 也｝串联图6层叠式压电元件并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小，因此他的测量电路需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：1.把他的高输入阻抗变为低输入阻抗；2.对传感器的低输入弱信号进行放大。压电式传感器可以输出电压信号和电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。图7为电压放大器。图7电压放大器三.差动变压器式加速度传感器电容器是电子技术的三大类无源元件（电阻、电感和电容）之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。优点：测量范围大、频率响应快、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。图8为差动式电容加速度传感器结构图。他有两个固定极板，中间质量块的两个端面作为动极板。图8 差动式电容加速度传感器结构图差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。a.差动整流电路，如图9:根据半导体二极管单向导通原理进行解调；b.相敏检波电路，如图10:图中UR为参考电压，其频率与U0相同，相位与U0同相或反相，并且UR>>U0，即二极管的导通与否取决于UR，工作原理：衔铁在中间位置时，U0=0，电流表中无读数。若衔铁向上移动：信号电压U0上正下负为正半周，假定参考电压UR极性为左正右负，此时D1、D2截止，而D3、D4导通。当被测量方向变化使衔铁下移时，输出电压U0的相位与衔铁上移时相反。反。图9 全波整流电路及波形图图10相敏检波电路加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值