加速度傳感器原理與應(yīng)用簡介

???? 1、什么是加速度傳感器
??? 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。
??? 加速度計有兩種：一種是角加速度計，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計。

??? 2、加速度傳感器一般用在哪里
??? 通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發(fā)現(xiàn)光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。
??? 加速度傳感器可以幫助你的機(jī)器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機(jī)器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機(jī)器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機(jī)的振動。
??? 目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。
??? 概括起來，加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

??? 3、加速度傳感器是如何工作的
??? 線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
??? 現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科學(xué)測量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興的微機(jī)械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價格比很高?？梢灶A(yù)見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場中占主導(dǎo)地位。
??? 微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。
??? ·壓電式
??? 壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。
??? ·壓阻式
??? 應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計也是壓阻式傳感器的一個亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個特定設(shè)計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。
??? ·電容式
??? 電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較小；但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

??? 4、在選購加速度傳感器的時候，需要考慮什么
??? ·模擬輸出 VS 數(shù)字輸出：
??? 這個是最先需要考慮的。這個取決于你系統(tǒng)中和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的，比如2.5V對應(yīng)0g的加速度，2.6V對應(yīng)于0.5g的加速度。數(shù)字輸出一般使用脈寬調(diào)制（PWM）信號。
??? 如果你使用的微控制器只有數(shù)字輸入，比如BASIC Stamp，那你就只能選擇數(shù)字輸出的加速度傳感器了，但是問題是你必須占用額外的一個時鐘單元用來處理PWM信號，同時對處理器也是一個不小的負(fù)擔(dān)。
??? 如果你使用的微控制器有模擬輸入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常簡單的使用模擬接口的加速度傳感器，所需要的就是在程序里加入一句類似"acceleration=read_adc()"的指令，而且處理此指令的速度只要幾微秒。
??? ·測量軸數(shù)量：
??? 對于多數(shù)項(xiàng)目來說，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會適合一點(diǎn)。
??? ·最大測量值：
??? 如果你只要測量機(jī)器人相對于地面的傾角，那一個±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測量機(jī)器人的動態(tài)性能，±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機(jī)器人會有比如突然啟動或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個±5g的傳感器。
??? ·靈敏度：
??? 一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。
??? ·帶寬：
??? 這里的帶寬實(shí)際上指的是刷新頻率范圍。也就是說每秒鐘，傳感器會產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對于需要進(jìn)行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個具有上百HZ帶寬的傳感器。
??? ·電阻/緩存機(jī)制：
??? 對于有些微控制器來說，要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，其連接的傳感器阻值必須小于10kΩ。比如Analog Devices's analog 加速度傳感器的阻值為32kΩ，在PIC和AVR控制板上無法正常工作，所以建議在購買傳感器前，仔細(xì)閱讀控制器手冊，確保傳感器能夠正常工作