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

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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

什么是弯曲式压电加速度传感器？

压电振动传感器通过安装在电力设备表面的振动传感器获得振动信号，从中提取特征量后结合数据处理及故障诊断方法，可有效评估运行状态，被广泛应用于电力设备在线监测或临时性检测。

压电振动传感器是感知振动信号的传感器件，按用途可分为压电加速度传感器、压电力传感器、压电力矩传感器、压电应力传感器等，其中以压电加速度传感器使用最为广泛。

按不同振动方式和传感器结构，压电加速度传感器可分为压缩式（d33型）、剪切式（d15型）、弯曲式（d31型）等。当驱动力较大而结构形变不大时，选择d33型转换；驱动力较小而形变大时，考虑选择d31型转换。

压缩式传感器较易获得外界振动激励，剪切式传感器压电材料d15系数较高、压电性能较好，是目前使用最多的两类振动传感器。然而这两类传感器输出响应调控主要基于选取不同规格质量块，谐振频率普遍较高，难以适用于低频微振动传感。采用弯曲式悬臂梁结构，有望突破低频微振动传感的关键问题。

弯曲式压电加速度传感器如图1所示。弯曲式压电加速度传感器多采用悬臂梁结构，悬臂梁自由端装配质量块，压电晶片（或薄膜）粘贴于悬臂梁侧面，根据粘贴晶片的数量可分为单晶悬臂梁和双晶悬臂梁。传感器受力振动时，侧面受拉伸压缩，使压电材料发生形变输出电信号。

根据传感器振动模式可以发现，压电晶片输出电压方向垂直于受力方向，弯曲式压电加速度传感器压电性能主要受压电系数d31影响。弯曲式压电加速度传感器多采用“软”压电陶瓷或柔性压电聚合物以增加其振幅。

图1 弯曲式压电加速度传感器

相比于压缩式和剪切式振动传感器，弯曲式振动传感器频率响应方便调节。闫震等选用PZT-5H为压电晶片，探讨了弯曲式压电悬臂梁器件结构参数与输出电压的关系。研究结果表明，在外力激励环境下，单、双晶压电悬臂梁输出电压均随长度线性增加，随宽度反比例降低。另针对工作温度较低的问题，Wu Jingen等采用0.367BiScO3-0.633PbTiO3高温压电陶瓷（TC=450℃）作为压电双晶片，其谐振频率为40.75Hz，高温压电双晶弯曲式传感器如图2所示。

图2 高温压电双晶弯曲式传感器

此外，有研究者将悬臂梁自由端质量块替换为磁铁设计压电电流传感器：当电流流经导线时，导线周围产生感应磁场并与磁铁相互作用，驱动悬臂梁弯曲产生电信号。但受振幅限制，测量范围通常仅为数安培，难以在电网中得到实际应用。

本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。

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