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？

加速度传感器 是一种能够测量物体加速度 的传感器，在运动过程中，通过测量质量的惯性力和牛顿第二定律得到加速度 。

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

传感器产品技术-工业级加速度传感器解析

传感器是获得精准有效数据的第一触点；它们在将原始物理量转换为便于测量计算的数据量的过程中，发挥着重要作用。

伴随着电力、船舶、航空、航天等多种工程技术的迅猛发展，对相关应用场景越来越需要更精确的动态数据。航空发动机、燃气轮机、蒸汽机等高能动力装置，对工业级传感器都提出了更加严苛的要求。

在众多传感器里，笔者以工业级加速度传感器为例，结合应用和相关产品数据，将一些体会和经验做一个简单的分享。

什么是加速度传感器？

加速度传感器(Accelerometer)，又称加速规、加速计，是用于测量加速度的一种感应装置，该装置在加速过程中对自身所受惯性力进行测量，通过牛顿第二定律得出加速度值。从感应机理上分为压电式、电容式、电感式、应变式、压阻式等。

汽车平顺性试验应用

将加速度传感器安装在车辆座椅上，测量XYZ三个轴向上的振动加速度过程，用以评价汽车行驶平顺性的道路试验。

工业级加速度传感器

选择加速度传感器时，用户大多基于加速度量程范围，同时结合实际应用。如倾斜角度测量，±1.5g的量程已经足够。±2g的加速度传感器可以用于大多数消费电子和商业应用。但对于急停、多方向剧烈变化以及振动烈度较大的测量应用，至少要选择±10g以上或者更大量程的加速度传感器。

在众多工业应用场景中，都需要对冲击和振动进行监控和测量，因应用环境温度的高低温波动范围大，对加速度计的量程、灵敏度、精度要求高，对于常规加速度传感器来说，完全不能胜任这种严苛恶劣的工作环境。基于此工业级加速度传感器应运而生，它们完全能够在这种恶劣的应用环境中保持高可靠性的持续测量和稳定输出。

工业级加速度传感器

的品牌和产品性能

在传感器市场中，工业级加速度传感器品牌众多，其中欧、美、日品牌占据了此类产品较大比例的市场份额。但随着中国近年来工程技术的迅猛发展，中国的自主品牌也正在这一细分产品领域中逐步跟上，并在高、中、低几个技术维度上与欧、美、日同台角逐。

从产品技术和可靠性两个维度上来看，进口品牌美国PCB 、丹麦B&K 和中国自主品牌西人马（FATRI） 的工业级加速度传感器能够比较全面的诠释这两个维度。

PCB Piezotronics, Inc. “PCB”是PicoCoulomB的缩写，PicoCoulomB属于技术术语，定义了由PCB制造的压电传感器产生的电荷类型，也成了该公司的注册商标。PCB 于1967年成立，是美国老牌的家族企业。拥有加速度测量、振动、冲击、声学、负载等产品线。

Brüel & Kjær 简称B&K，名称与商标源于创始人Per VilhelmBrüel和ViggoKjær的名字，二人缘起于哥本哈根理工学院（现丹麦工业大学），这是个历史悠久的公司，成立于1942年，拥有加速度测量、传声器、声学全息阵列等产品线。

西人马（厦门）科技有限公司- FATRI，创始人聂泳忠博士，这是一个历久弥新的中国自主品牌，“久”在于其创始人聂博士一直深耕于精密先进传感器的研发和设计的前沿，“新”是因为该公司仅成立了5年多的时间。虽然成立时间短，但拥有先进材料、芯片制造、精密传感器（加速度、温度、压力等）、测量设备等丰富和扎实的产品研发和制造能力。

笔者从三个品牌的产品中拣选出工业级加速度传感器的同类产品，通过产品技术规格来解析工业级传感器的一些特性和关键技术指标。

工业级加速度传感器

的关键技术指标

灵敏度

电压灵敏度在满足谐振频率的前提下越大越好，后端采样调理的回路就越容易。

工作温度

在工业现场环境中，随时会出现温度的骤升骤降，能否有效进行测量，直接影响测量的效率，所以工作温度范围要尽量够宽。

响应时间

当被测量物体发生变化时，传感器并不能立刻反应，普遍存在滞后，滞后的时长即响应时间，响应时间越短越好。

冲击极限

指1秒内，传感器及壳体所能承受的最大加速度冲击，一般在可承受冲击的范围内，传感器仍能保持正常工作，冲击极限上限越高越好。

横向灵敏度

测量某个方向时，信号输出理论上应全为感知方向，但实际上在该方向垂直的方向也会有信号输出，这是横向效应造成的，所以横向灵敏度越低，性能越好。国标要求≤5%。

非线性度

在固定的频率和幅值范围内，输出量与输入量成正比时，成为线性变卦。实际传感器的校准结果与线性偏离的程度称为传感器的非线性度。该指标越小越好。

频率响应

一般加速度传感器的工作频率上限为自身谐振频率的1/3左右，通常加速度传感器低频特性较差，信号衰减严重，而在高频段线性度差，非线性影响较大。在实际应用中，土木工程结构的频率范围在0.2~1kHz左右，通用机械设备大多属于中频段，频率范围在0.5~5kHz左右。高能动力装置由低频至高频段，频率范围会大于5kHz。另外，传感器安装的刚性对传感器测量的频率范围也有一定影响。工业级加速度传感器的频率响应范围直接影响其在不同应用场景中的测量效率。

从上面的指标我们可以看出，工业级加速度传感器的量程范围相较于非工业级传感器更加宽大，工作温度区间能经受住较大范围高低温的循环转换，并在这样的工况下可以保证相对较好的灵敏度，且能够将横向灵敏度控制在尽可能小的范围内，同时要能够承受住上千g的冲击。这些要素的集合，等于对传感器的研发设计与生产制造提出了极高的要求。在实际制造过程中每一个微小的工艺上的误差，都会对传感器本身带来巨大的影响。

PCB 与B&K 作为国际知名的传感器专业制造商在产品技术规格上的要求是严谨和苛刻的，在实际应用中有口皆碑。值得一提的是，西人马（FATRI） 作为一个中国自主传感器品牌，在这样短的时间内能将产品做到这样的高度，不得不说这是一个具备极强技术实力的企业。毕竟在传感器制造这个行业里，在工程技术中，技术实力与研发设计能力是第一生产力。

笔者从多方了解到，西人马（FATRI） 是一家拥有材料、传感器芯片设计制造、封装、测试、精密传感器制造等全方位能力的硬核科技公司。这家公司在短短5年时间里注册专利多达600多项，如自主研发了用于压电类传感器的基座楔形自锁剪切结构，完全不同于文献中可见的传统结构，综合了传统压缩和诊断压缩，具有较好的线性、剪切性和高灵敏度等特点，其工艺性极其简单且可靠，产品自适应性好，由于采用了自锁紧结构，因此其接触刚度大大提高了谐振频率，能够保持良好的线性。

目前这种技术被西人马广泛应用在通用振动测量和高温振动测量领域，各项指标都达到或者优于目前流行的各项设计。在先进传感器制造这样一个重资产、技术门槛高、研发周期长的行业里，做出这样具备竞争力的工业级传感器，在当下浮躁、投机的环境中，更显得难能可贵。作为行业中的一员，笔者能够想象，在这个过程中不知要经历多少艰辛与磨难。但这种付出与坚守是值得的，我们需要更多这种能够耐得住寂寞，具备工匠精神的科技创新企业。

当前，各种工程技术与前沿科技高速发展的趋势下，在工业传感器的领域里，欧、美、日产品仍极具竞争力。但随着全球市场需求的发展，相信未来会有更多中国传感器自主品牌走向世界，与国际厂商同台角逐，一争高下。国际局势的风云激荡，时刻牵动着市场格局变化。作为后发者，需要秉持初心，坚定不移的走自主研发制造的正确路线。笔者希望能有更多像西人马（FATRI）这样具备核心技术实力的中国传感器自主品牌厂商能够在更多的应用领域与欧、美、日等国外传感器企业同台角逐。

在这个机遇与挑战并存的时代里，唯有努力拼搏才能占有一席之地，埃隆.马斯克在其自传中说：“所谓创业，就是嚼着玻璃凝视深渊。既然必须穿过地狱，那就走下去”。

知识分享:

1. 压电效应：压电晶体受力变形后，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面产生符号相反的电荷，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率（谐振频率）时，则力的变化与被测加速度成正比。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”。

2. 对工作状态下的待测结构进行测量时，最好使用带有“隔离”的传感器。如果传感器本身不具备隔离，可在传感器底部增加绝缘材料充当隔离器件。3. 应用的传感器的工作频率区间，稍高于实际测量的带宽较为适宜。4. 轴向很重要，单轴加速度传感器通常用于测量简单的振动和加速度情况；双轴加速度传感器是指测量沿X轴与Y轴的加速度和振动（前、后&左、右）；三轴加速度传感器即将Z轴加入到双轴加速度传感器中，以便用于复杂的三维定位和测量。加速度传感器还受到振动频率范围限制，必须与预期应用的频率匹配。

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