手环加速度传感器原理及选型技巧

本文主要是关于加速度传感器的相关介绍，并着重对加速度传感器的工作原理及其选型技巧进行了详尽的阐述。

加速度传感器

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。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

加速度传感器原理

　　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。

　　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。

　　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。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。

　　使用加速度传感器有时会碰到低频场合测量时输出信号出现失真的情况，用多种测量判断方法一时找不出故障出现的原因，经过分析总结，导致测量结果失真的因素主要是：系统低频响应差，系统低频信噪比差，外界环境对测量信号的影响。 所以，只要出现加速度传感器低频测量信号失真情况，对比以上三点看看是哪个因素造成的，有针对性的进行解决。

加速度传感器选型技巧

加速度计因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。用户作通用振动、冲击测量时，主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构，现场环境和与后续仪器配置等。

1、灵敏度的选择

扬州晶明的产品介绍给出了参考量程范围，目的是让用户在众多不同灵敏度的加速度计中能方便地选出合适的产品，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。

在兼顾频响、重量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：土木工程原型和超大型机械结构的振动在0.1g～10g左右，可选3000pC/g～300pC/g的加速度计，机械设备的振动在10g～100g左右，可选择20pC/g～200pC/g的加速度计，冲击可选0.1pC/g～20pC/g左右的加速度计。

2、频率选择

生产厂给出的频响曲线是用螺钉安装的，一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率的给值是按灵敏度偏差给出，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用，但也有特例，如轴承故障检测。

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。

加速度计的安装方式不同也会改变使用频响（对振动值影响不大），安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。这里给出同一只KD1005加速度计不同安装方式的使用频率：螺钉5kHz，环氧或“502”4kHz，磁吸盘1.5kHz，双面胶0.5kHz，由此可见，安装方式对测试频响影响很大，应注意选择。

加速度计的重量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，重量大，使用频率低，这也是选择的技巧。

3、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。

4、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。

5、环境影响

某些测试现场的环境较为恶劣，考虑的因素较多，如防水、高温、安装位置、强磁电场及地回路等，均会给测量带来极大的影响。

防水：防水有两个概念，浅层防水和深层防水，尤以深层防水为难，如三峡工程永久船闸闸门的振动监测，水深近百米，它涉及地回路干扰、高压渗水、导线防护、长期可靠性等诸多问题。

高温：多数厂商给出的温度范围为可用值，而不是高温状况的灵敏度，实际上，高温时灵敏度偏差较大，特殊用户应向厂商索取专用的高温时的灵敏度指标，灵敏度指标是保证测试准确的关键。

位置限制：加速度计永久安装在现场会受到人为碰撞，应选择工业型产品，在加速度计外加装防护罩，这可同时起绝缘、防尘的作用，对出线方向有要求也应向厂商提出，对于不能触及的部位，可用手持式加速度计（带长探针）。

绝缘、地回路及磁电场辐射：辐射较强的测试现场，应选择特殊外壳材料的加速度计和专用导线，此类研究国内罕见。对于多点接地、潮湿等现场，要解决好测试干扰则可用浮地或绝缘型加速度计。

为了克服多点接地产生地回路电流影响测试，可以选用浮地或绝缘传感器。没有特殊要求且干扰不大的工况，可用绝缘型加速度计。而永久型监测或干扰大的工况则应采用浮地型。这二种命名的区别在于绝缘型传感器的外壳为信号地，底座采取绝缘方法，而浮地型产品的外壳为屏蔽层，要采取三线方式。

附加质量：在振动结构上安装的加速度计的质量只要小于结构自身质量的1/10即可，认为对被测信号无大影响。

6、配套仪器

压电类加速度计如是电荷输出，可与任何一种高阻输入的电荷放大器或具有电荷前置功能的采集器相配，电荷放大器种类较多，有单台、多路、积分、准静态，这都要根据测量要求进行选择。

也有特例，如直接将压电传感器的输出信号接入具有一定高阻性能的三次仪表（如示波器），同样可测得信号，但因阻抗匹配不够，只能是定性了解动态状况。

ICP型内置式加速度计专门有恒流适配器，一台仪器可供多只加速度计的恒流供电及信号输出。部分数据采集仪器也自带恒流功能，可直接与ICP传感器配用。

普通电荷输出型传感器如与具有恒流输出的数据采集器配套，可采用JM3861恒流适调器。

双电源加速度计可由采集器提供双电源或用双路直流稳压电源供电。

加速度传感器的分类

　　压电式

　　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。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或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

　　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。

　　电容式

　　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。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。

　　伺服式

　　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，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。

结语

关于加速度传感器的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

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