加速度传感器是什么？一文总结加速度传感器原理，几分钟带你搞懂

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在这之前给大家简单地介绍了一下压力传感器，大家如果错过的，点击下方标题可以直接跳转。

什么是压力传感器？几分钟带你搞懂压力传感器工作原理

一文总结压力传感器校正方法，几分钟，快速教你校正压力传感器

压力传感器接线不会？看这一文就够了，几分钟帮你搞定

这篇文章将给大家介绍一下

加速度传感器是什么？

根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器有电容式、电感式、应变式等。

如下图所示，PCBA上被黄色圈出来的地方为一个加速度传感器。

加速度传感实物图

通过测量重力加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜度，也可以通过分析动态加速度来计算设备的运动。

一些智能手表会有安装加速度传感器和陀螺仪芯片技术。

加速度传感器如何测量加速度？

加速度传感器沿三个轴运动：

加速度计轴读数以浮点值的形式提供，以 m/s^2 为单位。

具体的如下图所示：

加速度传感器原理-如何工作？

加速度传感器经常用于大型电子设备的简单电路，尽管外观不起眼，但加速度传感器以多种方式工作，其中两种是压电加速度计 和电容加速度计。

压电加速度传感器--压电效应

压电加速度传感器 主要应用的是压电效应 ，压电效应是最流行的形式。主要使用加速力而受到的微观晶体结构，压力会在晶体中产生电压，加速度传感器将这个压力转换为速度和方向。

压力加速度传感器

压力加速度传感器--压电效应的工作原理

压力加速度传感器原理图

如上图的模型所示，加速度传感器包含微观晶体结构，当发生振动时会产生电压，然后产生的电压会产生加速度的读数。

电容式加速度传感器-电容变化

电容加速度传感器 感应结构之间的电容变化 。如果加速力移动这些微结构中的一个，则电容会发生变化，并且加速度传感器会将此电容转换为电压以进行解释。

电容式加速度传感器

电容加速度传感器--电容变化的工作原理

力 = 质量 x 加速度，所以要找到加速度，它需要存在的力 / 物体的质量。这就是电容加速度传感器中电容效应的工作原理：

电容加速度传感器原理图

加速度传感器的功能--加速传感器倾斜角度

加速度传感器可用于测量倾斜角。由重力引起的加速度的持续测量可以用加速度传感器来测量。具体的如下所示：

加速度传感器测量倾斜角

加速度传感器的功能--加速传感器跟踪运动

虽然很容易认为使用加速度传感器来跟踪物体随时间的位置是比较简单的，但是使用加速度传感器跟踪绝对位置还是没有那么容易。

加速度传感器的功能--加速传感器测量振动

加速度传感器可用于测量振动的频率和幅度 。加速传感器可用于测量小到人类无法察觉到的加速度效应，例如检测地震事件或测量建筑物的共振频率。

可以测量的振动频率范围和振幅取决于加速度计的速度和噪音水平，为了得到一相对准确的结果，确保加速度传感器的数据速率至少比最快振动频率快 4 倍，还需要确保加速度传感器的本底噪声明显小于信号预计。

加速度传感器的功能--加速传感器测量高频振动

如果你将加速度传感器安装在比加速度传感器测量速度更快的强烈振动的机器上，有可能存在混叠效应和偏移，从而影响测量。

如果你测量的结构可能会产生高频振动，建议使用某种防震架将加速度传感器与这些振动隔离开来，通常是由橡胶、松紧、或者弹簧制成的比较简单的物件。

加速度传感器的应用领域

加速度传感器在各个领域发挥着重要作用，包括工业、医疗、社会应用和国内应用，用于监测各种物体的运动。

加速度传感器 主要用于汽车安全气囊 、防抱死制动系统 、牵引力控制系统 等的安全性能中。

加速度传感器 可以检测上、下、左、右倾角 的变化，因此通过向前倾斜手持设备来控制游戏中物体的前后左右方向非常简单和落后。

使用加速度传感器检测手持设备的旋转和方向，实现对待显示图像的归一化 。

1、保持图像清晰

使用加速度传感器检测手持设备的振动/抖动幅度 ，当振动/抖动幅度过大时，锁定相机快门，使拍摄的图像始终清晰 。

2、计步器

加速度传感器 可以检测交流信号和物体的振动 。人走路时会产生一定规律的振动，加速度传感器可以检测到振动的过零点，计算出人的步数或跑步者的步数 ，从而计算人移动的位移 ，并且使用一定的公式可以计算卡路里消耗 。

3、确定手机标题

加速度传感器根据 手机标题的方式在横向和纵向模式之间旋转显示。

加速度传感器通过测量磁通量的大小来确定方向。当加速度传感器倾斜时，通过加速度传感器的磁通量会发生变化，导致方向误差。加速度传感器可以测量倾斜角度的原理可以补偿电子罗盘的倾斜。

GPS系统 通过接收以120度分布的三个卫星信号来确定物体的位置。在一些特殊的场合和地形，如隧道、高楼、丛林地区，GPS信号会变弱甚至完全丢失，这就是所谓的死胡同。

通过安装加速度传感器 和我们之前使用的惯性导航，可以测量系统的死区 。将加速度传感器积分一次就变成了单位时间的速度变化量，从而测量死区中物体的运动。

笔记本电脑中的加速度传感器 可保护硬盘驱动器免受损坏。如果笔记本电脑在使用过程中摔倒，加速度传感器会检测到摔倒并立即关闭硬盘驱动器，以避免读取头撞到硬盘驱动器盘片。

以上就是关于加速度传感器的一些知识，希望大家多多支持我。

图片来源于网络

加速度传感器种类剖析及适用性

本文内容转载自《中国检验检测》2019年第4期，版权归《中国检验检测》编辑部所有。

徐文骏

上海航天电子有限公司/上海科学仪器厂

0 引言

加速度传感器是工程振动测量中的最重要因素。在测试系统中，传感器是数据采集分析的第一环节，因此，能否正确选择和使用传感器将直接影响到测量信号的质量和精度。虽然从事工程振动的人员都知道这个概念，但在实际应用中却往往因为各方面的原因而无法正确判断传感器是否真实反映了被测信号。另一方面在科技不断发展的趋势下，环境模拟的试验条件要求越来越高，与之对应传感器的技术指标也不断提高，从而使之前广泛应用的单一标准传感器发展到如今类别的多样化，也对工程人员在应对不同试验要求的传感器选择上增加了相应的难度。

1 传感器的种类

目前市场中常见的加速度传感器分为三大类别，分别为压电式、压阻式和电容式。

1.1 压电式

压电式加速度传感器的构造是利用了弹簧质量系统的原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与此力成正比的电荷信号，从而能采集到数据。

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及不需要外界电源等特点，是目前被工程人员使用最为广泛的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器相对来说结构比较简单，诞生时间也较长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此，在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

1.2 压阻式

压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成的电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到几十千赫兹的高频测量。压阻式传感器的最大亮点就是超小型化的设计，可以在很多狭小的空间内使用。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，使用的传感器都需要进行温度补偿。在价格方面，使用特殊敏感芯体制造的压阻式传感器成本将远高于压电型加速度传感器，通常要达到好几倍以上。

1.3 电容式

电容式加速度传感器的结构形式也采用了弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值产生变化。电容式加速度计于其他类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适用性好等特点，尤其是受温度的影响比较小，能够运用于很多现场环境苛刻的数据采集；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，并且受电缆的电容影响，因为电容传感器本身是高阻抗信号源，因此，输出信号往往需要通过后继电路给予改善，对屏蔽电缆线有着很高的使用要求。在实际应用中电容式加速度传感器大多用于低频测量，其通用性远不及压电式加速度传感器，且成本也要比压电式加速度传感器高出许多倍。

2 压电式加速度传感器的敏感芯体材料和结构形式

2.1 压电材料

压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。压电型加速度计最常用的压电晶体材质为石英，因为石英的材料特性是工作温度范围宽，性能稳定，所以在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。

由于石英的压电系数比其他压电材料低很多，所以通用型的压电传感器都采用压电陶瓷作为主材料。陶瓷中的锆钛酸铅是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间外界条件的变化相对较小。如图1所示。

图1 石英压电传感器内部结构

但是就同一种的压电陶瓷而言，虽然都具有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象在国产传感器和进口传感器的互相比较上尤为明显。两者虽然材料不同，但是在构造上却是近似一致。如图2所示。

图2 陶瓷压电传感器内部结构

2.2 传感器敏感芯体的结构形式

压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：

a) 压缩形式：压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。

b) 剪切形式：通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上来说在剪切力作用下的压电材料所产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此，剪切结构形式是最适合广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中，要确保剪切敏感芯体的加速度计具有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造工艺中最为困难的一个环节。要得到高参数指标只能采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。

c) 弯曲变形粱形式：压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形粱结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极易产生的信号漂移，所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。

3 压电式加速度传感器的信号输出形式

3.1 电荷输出型

传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。

3.2 IEPE输出型

IEPE型压电加速度计既工程人员称之的ICP型压电加速度计，也称为低阻抗电压输出型加速度计。

压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出，而IEPE型传感器则为二线输出形式，采用恒电流电压源供电，直流供电和信号使用同一根线的方式，因为直流电部分在恒电流电源的输出端需要通过高通滤波器滤去杂波信号。

IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和测量 距离远，特别是随着科技的发展，现在已经有很多新型的数采系统很多都已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其他二次仪表，在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。

4 小结

加速度传感器随着科技的发展，种类不断的增多，从最早的进口制造商B&K，到现在国产的制造商B&W，光是力学传感器的种类以及超过了3位数，并且随着科技的发展，越来越多的苛刻试验的顺势而生，传感器的原理、分类以及适用性事工程人员所要了解的必修课，只有了解透彻，才能更好的完成试验工作。

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