传感器的固有频率 「物理揭秘」你每天走了 计步器怎么知道我们走了多少步呢？

「物理揭秘」你每天走了 计步器怎么知道我们走了多少步呢？

计步器怎么知道我们走了多少步呢？

如今，每个人都非常关注健康。而运动正是健康最重要的手段。不管是出门佩戴手环、计步器，还是拿手机，记录自己行走的步数，已经是很多人的生活习惯了。可是，计步器到底是怎么工作的呢？是怎么知道我们每天走了多少步的呢？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“最开始的计步器是机械式的，原理其实很简单，就跟摆锤一样的。因为人在走路的时候是会把那个摆锤带着在动，它动一下基本上就是人在走一步，然后摆锤动一下，和金属接触通电，就记了一步。”

原来，计步器是依靠摆锤与金属的接触，才能记录我们的步数，可是现在流行的智能手环和手机里的计步软件也是这个原理吗？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“现在的手机手环里面，它一般是用一个非常小的芯片，叫三轴加速度传感器，通过这个传感器可以测量手机或者是手环在三个不同的方向上的加速度，然后通过这个加速度的值进行一些算法的运算，然后统计就可以知道大概可以测出来走路的步数。”

那么这种传感器是怎么知道我们走路的步数的呢？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“有一种特殊的材料，叫压电陶瓷材料，根据作用在上面的力的大小产生不同的形变，就可以产生不同的电压的变化，就可以通过作用在上面的力来测量出加速度，然后通过加速度能够判断出这个人是走路的时候，他是在哪个方向进行运动，或者说频率大概是多少。”

可是，如果用手摇晃手机，也会产生加速度，这个传感器是怎么分辨手晃和走路的区别的呢？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“人走路的时候，频率一定是在某一个范围之内的，比方说一秒钟跨出多少步，或者说一分钟只能走出多远。如果人的手拿着手机在晃的话，第一个晃的频率会非常的快，第二个拿着手机晃的时候，加速度变化是比人在走路的加速度变化要大的多的，基本上通过这两个方面，能够判断出来到底是人拿着手机在晃，还是真正的一个人在走。”

其实计步功能只是加速度传感器的一部分应用。在车辆安全、桥梁健康等方面，加速度传感器都有着非常重要的作用。

中国电子科学研究院工程师廖勇：“车上的安全气囊为什么会弹起来，车开到一定的速度之上然后突然停下来，安全气囊就会弹出来，实际上是有一个加速度传感器在测量车在前进的方向负加速度，或者说从很快的速度突然变得停下来，一个量的变化，来判断说现在应不应该把安全气囊弹出来。

加速度传感器另外一个可以应用的地方是桥梁的一些健康的监测，因为桥梁虽然看起来是硬的，实际上是会有一些形变的，可以有些变化，但是每个桥梁的变化它不能以某一个频率来发生这种振动，因为它如果是产生跟这个桥梁的固有频率产生共振，会对桥梁的结构健康产生影响。

所以就可以在桥梁地面上，设置一些加速度传感器来测量桥梁的振动，然后能够判断出振动是不是在可以允许的范围之内的。”

传感器技术与计算机技术，通信技术并称为现代信息技术的三大支柱。航天运载火箭上，采用的传感器达2000多个；一架民航客机所用的传感器也有上千个。可以说，任何自动控制装置和系统都离不开传感器技术。

(来源:科普中国)

传感器谐振频率产生的两大因素

高频截止频率是指在所规定的频率响应幅值误差内所能测量的最高频率信号。高频截止频率直接与误差值大小相关，规定的误差范围大则其相应的高频截止频率也相对较高。压电式传感器的高频特性取决于传感器机械结构的一阶谐振频率，实际使用中传感器的一阶谐振频率往往是其安装谐振频率。安装谐振频率则由传感器内部敏感芯体的固有频率以及传感器的总体质量和安装耦合刚度综合决定。安装谐振频率的高低将直接影响传感器的高频测量范围，所以在具有稳定的敏感芯体谐振频率的前提下，提高安装耦合刚度是保证高频测量的重要条件。

传感器的安装形式

传感器生产厂商提供的高频截止频率都是在采用较理想的安装条件下所获得的。实际使用中传感器的安装形式的不同和安装质量的好坏会直接影响安装偶合刚度，进而改变传感器的测量高频截止频率。不同安装方式所对应不同安装谐振频率的特征已在很多振动测量的文献中被阐述;但有必要指出当不同形式的安装方式组合在一起，传感器的高频响应将被最低频率响应的安装形式所制约。高频测量的安装方式往往采用螺钉安装形式。为了达到理想的效果，被测对象的表面必需达到所规定的平度和光洁度要求以及传感器安装时应所规定的扭矩，以尽可能地提高安装偶合刚度保证传感器高频截止频率。传感器的高频截止频率越高则对传感器的安装要求也越高，因此使用高频测量传感器的用户必须认真对待传感器的安装。

传感器的输出接头形式和电缆对测量信号的影响

传感器的信号输出接头也是潜在的影响高频测量的重要因素。在实际应用中传感器的接头和电缆也是传感器的组成部分。各种形式的接头，电缆接头与传感器的连接，以及电缆的重量和电缆相对于被测物体的固定形式也将直接影响传感器的谐振频率。传感器的重量越轻，接头和电缆对高频测量的影响越显著。所以当安装条件许可的情况下小型高频测量传感器的接头形式应首先考虑联体电缆，联体电缆具有可动零件少，重量轻的特点，比较适合高频测量。

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