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壓電加速度傳感器工作原理
- 2019-08-08-

壓電加速度傳感器工作原理

壓電加速度傳感器的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

現代科技要求壓電加速度傳感器廉價、性能優越、易于大批量生産。在諸如軍工、空間系統、科學測量等領域,需要使用體積小、重量輕、性能穩定的加速度傳感器。以傳統加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應用新興的微機械加工技術制作的微加速度傳感器應運而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啓動快、成本低、可靠性高、易于實現數字化和智能化。而且,由于微機械結構制作精確、重複性好、易于集成化、適于大批量生産,它的性能價格比很高。可以預見在不久的將來,它將在加速度傳感器市場中占主導地位。

壓電加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。

壓電加速度傳感器是利用彈簧質量系統原理。敏感芯體質量受振動加速度作用後産生一個與加速度成正比的力,壓電材料受此力作用後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範圍大、頻率範圍寬、堅固耐用、受外界幹擾小以及壓電材料受力自産生電荷信號不需要任何外界電源等特點,是被最爲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構簡單,商業化使用曆史也很長,但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關,因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數以及其穩定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比,其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

壓電加速度傳感器整个组件装在一个原基座上,并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变 传递到压电元件上去,基座尺寸较大。测试时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时,传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比,经 電荷放大器或电压放大器即可测出加速度。

應變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體爲半導體材料制成電阻測量電橋,其結構動態模型仍然是彈簧質量系統。現代微加工制造技術的發展使壓阻形式敏感芯體的設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範圍也可從直流信號到具有剛度高,測量頻率範圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性,但對某個特定設計的壓阻式芯體而言其使用範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是受溫度的影響較大,實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。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高于壓電型加速度傳感器。

電容型加速度傳感器的結構形式一般也采用彈簧質量系統。當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。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、環境適應性好等特點,尤其是受溫度的影響比較小;但不足之處表現在信號的輸入與輸出爲非線性,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後繼電路給于改善。在實際應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。

加速度傳感器可應用在控制,手柄振動和搖晃,儀器儀表,汽車制動啓動檢測,地震檢測,報警系統,玩具,結構物、環境監視,工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析;鼠標,高層建築結構動態特性和安全保衛振動偵察上。

目前,大部分設備都提供了可以檢測各個方向的加速度傳感器。以iOS設備爲例,我們利用了其三軸加速度傳感器(x,y,z軸代表方向如圖)的特性來分析。分別用以檢測人步行中三個方向的加速度變化。

計步的合理算法

因爲用戶在運動中可能用手平持設備,或者將設備置于口袋中。所以,設備的放置方向不定。爲此,通過計算三個加速度的矢量長度,我們可以獲得一條步行運動的正弦曲線軌迹。

第二步是峰值檢測,我們記錄了上次矢量長度和運動方向,通過矢量長度的變化,可以判斷目前加速度的方向,並和上一次保存的加速度方向進行比較。如果是相反的,即是剛過峰值狀態,則進入計步邏輯進行計步,否則舍棄。通過對峰值的次數累加,可得到用戶步行的步伐。

最後,就是去幹擾。手持設備會有一些低幅度和快速的抽動狀態,或是我們俗稱的手抖,或者某個惡作劇用戶想通過短時快速反複搖動設備來模擬人走路,這些幹擾數據如果不剔除,會影響記步的准確值,對于這種幹擾,我們可以通過給檢測加上閥值和步頻判斷來過濾。


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