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加速度传感器原理

发布时间:2012-11-18

加速度传感器定义

       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,比如g,也可以是变量。加速度计有两种:一种是角加速度计,是由陀螺仪(角速度传感器)的改进的。另一种就是线加速度计。

加速度传感器工作原理

       线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量) 我们只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。


加速度传感器


  多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。

  所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外,还将改变晶体的极化状态,在晶体内部建立电场,这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "

  一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化成电压输出。当然,还有很多其它方法来制作加速度传感器,比如压阻技术,电容效应,热气泡效应,光效应,但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形,通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。每种技术都有各自的机会和问题。


某型号的加速度传感器


  压阻式加速度传感器由于在汽车工业中的广泛应用而发展最快,加速度传感器主要用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。由于安全性越来越成为汽车制造商的卖点,这种附加系统也越来越多。压阻式加速度传感器2000年的市场规模约为4.2亿美元,根据有关调查,预计其市值将按年平均4.1%速度增长,至2007年达到5.6亿美元。这其中,欧洲市场的速度最快,因为欧洲是许多安全气囊和汽车生产企业的所在地。

  压电技术主要在工业上用来防止机器故障,使用这种传感器可以检测机器潜在的故障以达到自保护,及避免对工人产生意外伤害,这种传感器具有用户,尤其是质量行业的用户所追求的可重复性、稳定性和自生性。但是在许多新的应用领域,很多用户尚无使用这类传感器的意识,销售商冒险进入这种尚待开发的市场会麻烦多多,因为终端用户对由于使用这种传感器而带来的问题和解决方法都认识不多。如果这些问题能够得到解决,将会促进压电传感器得到更快的发展。2002年压电传感器市值为3亿美元,预计其年增长率将达到4.9%,到2007年达到4.2亿美元。

  电容传感器有望有一个强劲的增长,2004年后增长将会更快,估计从1997年到2007年综合年增长率为5.9%,其中最高可达33.2%,其市值2000年为0.75亿美元,到2007年将达到1.1亿美元。来自欧洲和北美洲的汽车业和工业用户是这些产品的主要购买者。2000年的市场上北美占40.4%,欧洲占48.9%。汽车行业使用电容式传感器主要用于安全系统、轮胎磨损监测、惯性刹车灯、前灯水准测量、安全带伸缩、自动门锁和安全气囊。对于设计人员来说,电容式传感器是非常有吸引力的,因为它无需接触待测物,所以不必挤进狭窄的空间中。

   
加速度是一空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质,在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。

  目前推出的三维加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化,通过相应的放大和滤波电路进行采集。

加速度传感器几个关键指标(选购参考)

模拟输出vs数字输出:

  这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速度传感器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的,比如2.5V对应0g的加速度,2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制(PWM)信号。

  如果你使用的微控制器只有数字输入,比如BASIC Stamp,那你就只能选择数字输出的加速度传感器了,但是问题是你必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号,同时对处理器也是一个不小的负担。

  如果你使用的微控制器有模拟输入口,比如PIC/AVR/OOPIC,你可以非常简单的使用模拟接口的加速度传感器,所需要的就是在程序里加入一句类似"acceleration=read_adc()"的指令,而且处理此指令的速度只要几微秒。


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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UAVROV控制,三轴的加速度传感器可能会适合一点。
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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。


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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。最小加速度测量值也称最小分辨率,考虑到后级放大电路噪声问题,应尽量远离最小可用值,以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度计自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压,估算方法:最大被测加速度×传感器的电荷 / 电压灵敏度,以上数值是否超过配套仪器的最大输入电荷 / 电压值,建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的参考量程范围中选择(兼顾频响、重量),同时,在频响、重量允许的情况下,灵敏度可考虑高些,以提高后续仪器输入信号,提高信噪比。


传感器市场前景

       随着智能手机等的普及,要求设备具备更高的功能和可设计性,在这种情况下,对组件的高度集成化和小型化的需求强劲。另外,高性能化导致电池的消耗增加,因此,对于搭载在设备上的各种元器件,要求具备更低的功耗。目前业界最小尺寸的加速度传感器最高分辨率达到14bit,具有低功耗、 耐冲击性高及可编程的待机唤醒功能,能够进行倾斜检测、运动检测等;而另外一款高性能、低功耗、低成本、低噪音的加速度传感器具有高稳定性,最高分辨率达4bit的特点,可高精度倾斜检测、运动检测等,目前此两种设备主要应用于智能手机、平板/笔记本电脑、数码相机、游戏机及其他小型民生设备。

  智能手机和游戏机等具有更多感官性运动的设备操作需求高涨,另外,出现了智能电视用的运动遥控等新需求。在这些运动检测中,使用了历来使用的加速度传感器,还增加了陀螺仪,提高了操作感受。小型封装陀螺仪采用FIFO缓冲区,可减少来自微控制器的访问频率,具备旋转运动检测功能。而随着加速度传感器、陀螺仪进一步普及,同时在小型设备中使用案例日益增加。单芯片化以及在1个系统的通信接口一起使用2个传感器的需求不断增加。小型封装的3轴加速度传感器和3轴陀螺仪的复合传感器的渐渐出现,不但具有以上小型封装陀螺仪的各种特点和功能,同时还拥有业界领先的低耗电量,仅为4mA。他们多应用于智能手机、平板电脑、游戏机、遥控器、PND及其他小型民生设备。

 

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