【小科普-加速度传感器】基本介绍

nmg · 发表于2016-10-28 12:02

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加速度传感器基本介绍

加速度计 (accelerometer) 是测量加速度的仪表。加速度测量是工程技术提出的重要课题。当物体具有很大的加速度时，物体及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力，即受到动载荷。欲知动载荷就要测出加速度。其次，要知道各瞬时飞机、火箭和舰艇所在的空间位置，可通过惯性导航(见陀螺平台惯性导航系统)连续地测出其加速度，然后经过积分运算得到速度分量，再次积分得到一个方向的位置坐标信号，而三个坐标方向的仪器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置。再如某些控制系统中，常需要加速度信号作为产生控制作用所需的信息的一部分，这里也出现连续地测量加速度的问题。能连续地给出加速度信号的装置称为加速度传感器。

以下为大家介绍两种常见的加速度传感器类型

1 硅微电容式加速度传感器

　　硅微电容式加速度传感器的敏感部分通常为梳齿结构，如图1所示，其扫描电镜显微照片如图2所示。敏感元件由活动部分A、B和固定电极三部分组成。其中，活动部分由超静定梁、质量块以及与质量块相连的活动电极组成。整个梳齿结构分成A和B两部分，固定电极分成固定电极ti和固定电极 W固定电极a与上半部分活动电极组成电容Ca, 固定电极b与下半部分活动电极组成电容设计时，将上、下极板不同区域的电极的引线分开，实验时，可根据需要将其短接或分开接。当有加速度 A输人时，惯性力使活动极板产生1个偏角α使电容器C1的电容量增加，C2的电容量减小,通过线路转换，把电容器C1、C2的电容量转换成电信号，经相敏放大后把输出电压反馈到电容静电力矩器，电容力矩器产生的静电力矩与惯性力矩平衡，使式中：　　
　　〇—惯性加速度；
　　动质量块保持在原有的平衡位置，通过反馈电压的量块质量;
　　正负和大小来度量输人加速度的方向和大小。

　　硅微电容式加速度计的工作原理如图3所示。在受到加速度作用时，在惯性力-作用下，检测质量块在z方向运动。这使动极板两侧的电容Ca、 Cb发生了变化。两侧电容的差值(2倍于单侧的变化量)经激励正弦波信号调制，由电容检测器检出。

　　该信号经交流放大器放大、检波和适当的校补，反馈到中间极板，由其在电容器极板间产生静电力，此静电力的力矩使检测质量块保持在零位。它与加速度作用所引人的力矩大小相等，方向相反。当系统处于平衡时，惯性力与反馈力平衡，就其大小来说= 若视电容为理想平板电容，上下电容间隙相等，则静电反馈力为；

　　式中：
　　a—惯性加速度
　　m—质量块质量
　　d—上、下电容间隙；
　　S—电容极板总面积；
　　e一介电常数；
　　Fdc一直流偏压。

　　所以k为常数，表明加速度与反馈电压成正比，这意味着传感器输出线性地反映了其感受的加速度大小。

　　采用MEMS有关工艺制成的微加速度计，其敏感芯片的体积仅5 mm见方，和成人的小指甲盖大小差不多，比采用精密机械加工成的加速度计小1 ~ 2个数量级。由于其质量小，因此能承受高冲击，实验测试这种原理的微加速度计在不加电状态下三个方向至少可以承受数百乃至数千g以上的冲击。

　　2 硅微热电耦式加速度传感器

　　硅微热电耦式的加速度传感器目前多应用于低成本的传感器领域，此类加速度传感器既可以测量动态加速度，也可以测量静态及速度。基于热交换原理，介质是气体。如图4所示，热源处于硅片的中央，硅片悬在空穴中间。在热源的四周均勻分布有热电耦堆(铝/多晶硅h图中的加速度传感器上有两路信号，一路是测量X轴加速度的，另一路是测量3"轴加速度的。在没有加速度的情况下, 热源的温度梯度均匀分布, 对四周的热电耦而言，温度是一样的，输出的电压也是一样的。热自由交换，任何方向的加速度将打破温度分布平衡，使之分布不平衡。输出的电压也将随之改变。热电稱输出的电压差和加速度成正比例。