加速度传感器

加速度传感器速度表示物体运动快慢的物理量加速度表示物体运动速度变化快慢的物理量加速度传感器定义能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器图1压电式加速度传感器图2压阻式加速度传感器图3电容式加速度传感器根据牛顿第二定律：A（加速度）=F（力）/M(质量)只需测量作用力F就可以得到已知质量物体的加速度。利用电磁力平衡这个力，就可以得到作用力与电流（电压）的对应关系，通过这个简单的原理来设计加速度传感器。本质是通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形，通过测量其变形并用相关电路转化成电压输出，得到相应的加速度信号。加速度传感器的原理•压电式加速度传感器•压阻式加速度传感器•电容式加速度传感器•伺服式加速度传感器加速度传感器的分类某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。压电式加速度传感器工作原理压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。图4压电效应原理图图a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。压电式加速度传感器构成图5压电式加速度计的结构S是弹簧M是质量块B是基座P是压电元件R是夹持环。压电式加速度传感器优缺点它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。图6压电式j加速度传感器压电式加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦压电式加速度传感器应用图7摄像机图8电脑硬盘压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器（基于MEMS硅微加工技术），压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。压阻式加速度传感器原理图9压阻式加速度传感器原理图压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、4梁和双岛-5梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂。为此高gn值加速度拟采用质量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式，如图所示。压阻式加速度传感器构成图10单臂梁结构图11双臂梁结构压阻式加速度传感器优缺点优点：体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度.缺点：对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低gn值测量时所需的准确度。图12压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器已用在步进电机作为动力机械的控制系统中。广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。压阻式加速度传感器应用图13步进电机图14绘图机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，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。电容式加速度传感器工作原理图15电容式加速度传感器原理图右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测振动体2及传感器底座1相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y表示质量块m相对于传感器底座1的位移，称为相对位移。x和y之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述。电容式加速度传感器构成图16电容式加速度传感器的等效原理图电容式加速度传感器，具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。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电容式加速度传感器优缺点图17电容式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应用图19手机图18安全气囊当被测振动物体通过加速度计壳体有加速度输入时，质量块偏离静平衡位置，位移传感器检测出位移信号，经伺服放大器放大后输出电流，该电流流过电磁线圈，从而在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，迫使质量块回到原来的静平衡位置，即加速度计工作在闭环状态，传感器输出与加速度计成一定比例的模拟信号，它与加速度值成正比关系。伺服式加速度传感器原理图20伺服式加速度传感器原理图主要由质量块、弹簧、电磁线圈、永久磁铁、位移传感器、伺服放大器、壳体等部分组成。伺服式加速度传感器构成图21伺服式加速度传感器结构图优点是测量精度和稳定性、低频响应等都得到提高，还有分辨率高，高精度，自检功能，高可靠性等。缺点是体积和质量比压电式加速度计大很多，价格昂贵。伺服式加速度传感器优缺点图22伺服式加速度传感器结构图由于有反馈作用，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。道路分级,钻井测绘,武器视觉设备,卫星天线阵列,平台控制,轨迹监测,地震和土木工程分析伺服式加速度传感器应用图23钻井图24卫星天线几种加速度传感器的比较分类压电式加速度传感器压阻式加速度传感器电容式加速度传感器伺服式加速度传感器特点体积小，质量轻，工作频带宽体积小、低功耗等结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强动态性能好、动态范围大和线性度好应用仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测报警系统，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域在安全气囊，手机移动设备等领域无可替代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基于加速度传感器的计步器STC89C52单片机速度传感器MMA7455LCD1602按键图一系统硬件结构图基于加速度传感器的计步器(T2)P1.01(T2EX)P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXd)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC40U1AT89C5233pFC133pFC212Y111.0592MGNDGND10pFC310KR31KR21KR1D1GNDVCCVCCGNDS1VCC123456789P1Header9P0^0P0^1P0^2P0^3P0^4P0^5P0^6P0^7P2^4P2^5P2^6SCL/SPCSDA/SDI/SDO图二单片机最小系统VSS1VDD2VL3RS4R/W5E6D07D18D29D310D411D512D613D714BLA15BLK16U41602GNDVCC10KR10GNDP0^0P0^1P0^2P0^3P0^4P0^5P0^6P0^7P2^4P2^5P2^6VCCGND基于加速度传感器计步器图三液晶16021602采用标准的16脚接口，其中：引脚1：VSS为电源地引脚2：VCC接5V电源正极引脚3：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高引脚4：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。引脚5：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。引脚6：E(或EN)端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。引脚7～14：D0～D7为8位双向数据端。引脚15～16：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。基于加速度传感器的计步器Numberofsteps：run12Numberofsteps：stop12图四LCD1602显示开始图五LCD1602显示停止液晶显示run说明现在如果你在行走数就会自动增加。液晶显示stop说明现在不论你怎么走数都不会再变化，查看当前歩数。此处显示开始或停止此处显示歩数基于加速度传感器的计步器S2S3S4GNDP3^0P3^1P3^2三个按键分别接单片机的P3^0,P3^1,P3^2口。其中按键S2是开始，在计步器通电后，按开始按键才能计数，不按开始键则无法计数。按键S3为停止键，在计步器工作到一段时间使用者希望查看当前计步状态，则可以停止当前计步。按键S4为重新开始，特别注意的是重新开始无需再按按键一，即可在原有的步数上继续计步。如要清零，则可以使用单片机复位键。图六按键控制DVDD_IO1GND2NC3IADDR04GND5AVDD6CS7INT1/DRDY8INT29NC10NC11SDO12SDA/SDI/SDO13SCL/SPC14U2MMA745510KR410KR5104C4VCCGNDVCCGND104C5VCCGND4.7KR6CSINT1/DRTYINT2SDOSDA/SDI/SDO10KR710KR8VCCSCL/SPCVCCVin2GND1Vout3U3RT9161104C6Cap106C7106C8GNDVCCPO-IN1234J1Header41234J2Header4PO-INGNDINT2INT1/DRTYSCL/SPCSDA/SDI/SDOSDOCS1KR9D2VCCGND图七加速度传感器MMA7455MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。客户可使用指定的0g寄存器和g-Select量程选择对0g偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范围（2g/4g/8g）。输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。基于加速度传感器的计步器对于MMA7455的引脚功能：引脚1DVDD_IO为3.3V电源输入端（数字）引脚2GND为接地线引脚3N/C为空引脚，不接或接地引脚4IADDR0为I2C地址0位引脚5