加速度傳感器的工作原理剖析

加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進(jìn)行沖擊、振動測量常用的測試儀器。

那么加速度傳感器的工作原理是如何的呢?下面跟小編一起來學(xué)習(xí)下吧：

敏感元件將測點(diǎn)的加速度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過信號調(diào)理電路改善信號的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和顯示。

當(dāng)傳感元件以加速度 a 運(yùn)動時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度成正比 a 的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個(gè)電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量。

線加速度計(jì)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(gè)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(gè)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。

多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。

所謂的壓電效應(yīng)就是 “對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) ”。

一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。每種技術(shù)都有各自的機(jī)會和問題。

壓阻式加速度傳感器由于在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用而發(fā)展最快。由于安全性越來越成為汽車制造商的賣點(diǎn)，這種附加系統(tǒng)也越來越多。

壓電技術(shù)主要在工業(yè)上用來防止機(jī)器故障，使用這種傳感器可以檢測機(jī)器潛在的故障以達(dá)到自保護(hù)，及避免對工人產(chǎn)生意外傷害，這種傳感器具有用戶，尤其是質(zhì)量行業(yè)的用戶所追求的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和自生性。但是在許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，很多用戶尚無使用這類傳感器的意識，銷售商冒險(xiǎn)進(jìn)入這種尚待開發(fā)的市場會麻煩多多，因?yàn)榻K端用戶對由于使用這種傳感器而帶來的問題和解決方法都認(rèn)識不多。如果這些問題能夠得到解決，將會促進(jìn)壓電傳感器得到更快的發(fā)展。

使用加速度傳感器有時(shí)會碰到低頻場合測量時(shí)輸出信號出現(xiàn)失真的情況，用多種測量判斷方法一時(shí)找不出故障出現(xiàn)的原因，經(jīng)過分析總結(jié)，導(dǎo)致測量結(jié)果失真的因素主要是：系統(tǒng)低頻響應(yīng)差，系統(tǒng)低頻信噪比差，外界環(huán)境對測量信號的影響。 所以，只要出現(xiàn)加速度傳感器低頻測量信號失真情況，對比以上三點(diǎn)看看是哪個(gè)因素造成的，有針對性的進(jìn)行解決。