浅谈加速度传感器的选型要求

来源：罗姆半导体社区 

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。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。随着智能手机等消费类电子的普及，要求设备具备更高的功能和可设计性，加速度传感器为满足使用中的工况环境和量程、精度等需求，要做正确的选型，我们来了解一下加速度传感器有哪些选型要求。
 

一、灵敏度
传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为 1mm， 频率为1 Hz 的信号其加速度值仅为0.04m/s2（0.004g）；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10 kHz的信号其加速度值可达4 x 10 5m/s2（40000g）。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动测量压电式加速度计灵敏度，电压输出型（IEPE 型）为50~100 mV/g，电荷输出型为10 ~ 50 pC/g。

二、量程范围
加速度值传感器的测量量程范围是指传感器在一定的非线性误差范围内所能测量的最大测量值。通用型压电加速度传感器的非线性误差大多为1%。作为一般原则，灵敏度越高其测量范围越小，反之灵敏度越小则测量范围越大。IEPE电压输出型压电加速度传感器的测量范围是由在线性误差范围内所允许的最大输出信号电压所决定。而电荷输出型测量范围则受传感器机械刚度的制约，在同样的条件下传感敏感芯体受机械弹性区间非线性制约的最大信号输出要比IEPE型传感器的量程大得多，其值大多需通过实验来确定。

一般情况下当传感器灵敏度高，其敏感芯体的质量块也就较大，传感器的量程就相对较小。同时因质量块较大其谐振频率就偏低这样就较容易激发传感器敏感芯体的谐振信号，结果使谐振波叠加在被测信号上造成信号失真输出。因此在最大测量范围选择时，也要考虑被测信号频率组成以及传感器本身的自振谐振频率，避免传感器的谐振分量产生。同时在量程上应有足够的安全空间以保证信号不产生失真。

三、测量频率范围
    传感器的频率测量范围是指传感器在规定的频率响应幅值误差内（±5%， ±10%， ±3dB）传感器所能测量的频率范围。频率范围的高，低限分别称为高，低频截至频率。截至频率与误差直接相关，所允许的误差范围大则其频率范围也就宽。作为一般原则，传感器的高频响应取决于传感器的机械特性，而低频响应则由传感器和后继电路的综合电参数所决定。高频截止频率高的传感器必然是体积小，重量轻，反之用于低频测量的高灵敏度传感器相对来说则一定体积大和重量重。
    选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率，有倍频分析要求的加速度计频响应更高。土木工程是低频，加速度计可选择0.2Hz～1kHz左右，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率，选择0.5Hz～5kHz的加速度计。冲击测量高频居多。

四、内部结构
    内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式，有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。中心压缩频响高于剪切型，剪切型的环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所得信号波动小，稳定性好。

五、输出型式
    取决于系统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。如果使用的微控制器只有数字输入，比如BASIC Stamp，那就只能选择数字输出的加速度传感器了，但是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。如果使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/OOPIC，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。

六、内置电路
    内置的概念是将电荷/电压转换放大电路置于加速度计内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源（四线）及单电源（二线并带偏置的称ICP）两种，下面所指内装电路专指ICP型。目前，内置电路传感器在国内使用较多的方面是用于机械故障、桩基检测，不少在线监测项目上也在使用该类产品。ICP传感器的芯线作供电并又是信号输出通道。内置电路传感器灵敏度的选型计算：如选用目前最为通用的100mV/g，可测50g以内振动，因为该传感器动态范围±5Vp，如测量100g，则用50mV/g的加速度计，其余以此类推。内置电路的优势是低价位，抗干扰好，可长线使用，但它的耐高温、可靠性不如电荷输出产品，且动态范围也因输出电压和偏置电压的作用而受到限制。

七、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。三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角，通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。三轴加速度传感器具有体积小和重量（gm）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、消费电子等领域得到广泛的应用。
 

小结

加速度传感器针对不同的应用场景，也在特性上体现为不同的规格。用户需根据自身的具体需要选取最适合的产品。如汽车车身冲击传感器或洗衣机等家电的振动传感器等来说，需选用高频的加速度传感器；对于硬盘的跌落和振动保护，需要中频以上的加速度传感器；而手持设备的姿态识别和动作检测只需低频产品即可。

审核编辑 黄昊宇