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1、加速度传感器,速度表示物体运动快慢的物理量,加速度表示物体运动速度变化快慢的物理量,加速度传感器定义,能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器,图1 压电式加速度传感器,图2 压阻式加速度传感器,图3 电容式加速度传感器,根据牛顿第二定律：A（加速度）=F（力）/M(质量)只需测量作用力F就可以得到已知质量物体的加速度。利用电磁力平衡这个力，就可以得到作用力与电流（电压）的对应关系，通过这个简单的原理来设计加速度传感器。本质是通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形，通过测量其变形并用相关电路转化成电压输出，得到相应的加速度信号。,加速度传感器的原理,压电式加速度传感器,压阻式加速度传感器,电
2、容式加速度传感器,伺服式加速度传感器,加速度传感器的分类,某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。,压电式加速度传感器工作原理,压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。,图4 压电效应原理图,图a是中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电
3、元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。,压电式加速度传感器构成,图5 压电式加速度计的结构,S是弹簧M是质量块B是基座P是压电元件R是夹持环。,压电式加速度传感器优缺点,它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些
4、压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。,图6 压电式j加速度传感器,压电式加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦,压电式加速度传感器应用,图7 摄像机,图8 电脑硬盘,压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器（基于MEMS硅微加工技术），压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻
5、的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。,压阻式加速度传感器原理,图9 压阻式加速度传感器原理图,压阻式硅微加速度传感器的典型结构形式有很多种，已有悬臂梁、双臂梁、4梁和双岛-5梁等结构形式。弹性元件的结构形式及尺寸决定传感器的灵敏度、频 响、量程等。质量块能够在较小的加速度作用下，使得悬臂梁上的应力较大，提高传感器的输出灵敏度。在大加速度下，质量块的作用可能会使悬臂梁上的应力超过 屈服应力，变形过大，致使悬臂梁断裂。为此高gn值加速度拟采用质量块和梁厚相等的单臂梁和双臂梁的结构形式，如图所示。,压阻式加速度传感器构成,图10 单臂梁结构,图11 双臂梁
6、结构,压阻式加速度传感器优缺点,优点：体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测 量连续的加速度和稳态加速度.缺点：对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低gn值测量时所需的准确度。,图12 压阻式加速度传感器,压阻式加速度传感器已用在步进电机作为动力机械的控制系统中。广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。,压阻式加速度传感器应用,图13 步进电机,图14 绘图机,电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在
7、外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度（或加速度），还可以进一步测出压力。,电容式加速度传感器工作原理,图15 电容式加速度传感器原理图,右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测振动体2及传感器底座1相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y表示质量块m相对于传感器底座1的位移，称为相对位移。x和y之间关系可用典型二阶比常系数微分方程描述。,电容式加速度传感器构成,图16 电容式加速度传感器的等效原理图,电容式加速度传感器，具有电路结构简单，频率范围宽约为0450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小
8、，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善,电容式加速度传感器优缺点,图17 电容式加速度传感器,在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。,电容式加速度传感器应用,图19 手机,图18 安全气囊,当被测振动物体通过加速度计壳体有加速度输入时，质量块偏离静平衡位置，位移传感器检测出位移信号，经伺服放大器放大后输出电流，该电流流过电磁线圈，从而在永久磁铁的磁场中产生电磁
9、恢复力，迫使质量块回到原来的静平衡位置，即加速度计工作在闭环状态，传感器输出与加速度计成一定比例的模拟信号，它与加速度值成正比关系。,伺服式加速度传感器原理,图20 伺服式加速度传感器原理图,主要由质量块、弹簧、电磁线圈、永久磁铁、位移传感器、伺服放大器、壳体等部分组成。,伺服式加速度传感器构成,图21 伺服式加速度传感器结构图,优点是测量精度和稳定性、低频响应等都得到提高，还有分辨率高，高精度，自检功能，高可靠性等。缺点是体积和质量比压电式加速度计大很多，价格昂贵。,伺服式加速度传感器优缺点,图22 伺服式加速度传感器结构图,由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，
10、伺服加速度 测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。道路分级,钻井测绘,武器视觉设备,卫星天线阵列,平台控制,轨迹监测,地震和土木工程分析,伺服式加速度传感器应用,图23 钻井,图24 卫星天线,几种加速度传感器的比较,基于加速度传感器的计步器,STC89C52单片机,速度传感器MMA7455,LCD1602,按 键,图一 系统硬件结构图,基于加速度传感器的计步器,图二 单片机最小系统,基于加速度传感器计步器,图三 液晶1602,1602采用标准的16脚接口，其中：引脚1：VSS为电源地 引脚2：VCC接5V电源正极 引脚3：V0为液晶显示器对比度调整
11、端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高 引脚4：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。引脚5：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。引脚6：E(或EN)端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。引脚714：D0D7为8位双向数据端。引脚1516：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。,基于加速度传感器的计步器,Number of steps：run 12,Number of steps：stop 12,图四 LCD1602显示开始,图五 LCD1602显示停止,液晶显示run说明现在如果你在行走数就会自动增加。,液晶显示
12、stop说明现在不论你怎么走数都不会再变化，查看当前歩数。,此处显示开始或停止,此处显示歩数,基于加速度传感器的计步器,三个按键分别接单片机的P30,P31,P32口。其中按键S2是开始，在计步器通电后，按开始按键才能计数，不按开始键则无法计数。按键S3为停止键，在计步器工作到一段时间使用者希望查看当前计步状态，则可以停止当前计步。按键S4为重新开始，特别注意的是重新开始无需再按按键一，即可在原有的步数上继续计步。如要清零，则可以使用单片机复位键。,图六 按键控制,图七 加速度传感器MMA7455,MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理
13、、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g 偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。客户可使用指定的0g 寄存器和g-Select 量程选择对0g 偏置进行校准，量程可通过命令选择 3 个加速度范围（2g/4g/8g）。输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。,基于加速度传感器的计步器,对于MMA7455的引脚功能：引脚1 DVDD_IO为3.3V 电源输入端（数字）引脚2 GND 为接地线 引脚3 N/C为空引脚，不接或接地 引脚4 IADDR0为I2C地址0位 引脚5 GND为接地 引脚6 A
14、VDD为3.3V 电源输入端（模拟）引脚7 CS为SPI 使能(0)，I2C 使能(1)引脚8 INT1/DRDY为中断1/数据就绪 引脚9 INT2为中断2 引脚10 引脚11 N/C 为空引脚，不接或接地 引脚12 SDO为SPI 串行数据输出 引脚 13 SDA/SDI/SDO为I2C 串行数据输出/SPI 串行数据输入/3 线接口串行数据输出。引脚14 SCL/SPC为I2C 时钟信号输出/SPI 时钟信号输出。,图八 MMA7455,基于加速度传感器的计步器,基于加速度传感器的计步器,模块主要参数：Z 轴自测 低压操作：2.4V 3.6V 用于偏置校准的用户指定寄存器 可编程阀值中断
15、输出 电平检测模式运动识别（冲击、震动、自由下落）脉冲检测模式单脉冲或双脉冲识别 灵敏度 64 LSB/g 2g/8g 10 位模式 8 位模式的可选灵敏度（2g、4g、8g）可靠的设计、高抗震性（5000g）环保型产品 低成本,图九 MMA7455模块,基于加速度传感器的计步器,MMA7455加速度传感器由2部分组成：G-单元和信号调理ASIC电路。G-单元是机械结构，它是用半导体制作技术、由多晶硅半导体材料制成，并且是密封的。积分、放大、滤波、温度补偿、控制逻辑和EEPROM相关电路、振荡器、时钟生成器、以及自检等电路组成，完成G-单元测量的电容值到电压输出的转换。,图十 G-单元和信号调
16、理ASIC电路,G-单元的等效电路如图11所示，它相当于在2个固定的电容极板中间放置1个可移动的极板。当有加速度作用于系统时，中间极板偏离静止位置。用中间极板偏离静止位置的距离测量加速度，中间极板与其中一个固定极板的距离增加，同时与另一个固定极板的距离减少，且距离变化值相等。距离的变化使得2个极板间的电容改变，电容值的计算公式是：C=Ae/D，其中A是极板的面积，D是极板间的距离，e是电介质常数。信号调理ASIC电路将G-单元测量的2个电容值转换成加速度值，并使加速度与输出电压成正比。当测量完毕后在INT1/INT2输出高电平，用户可以通过I2C或SPI接口读取MMA7455L内部寄存器的值，判断运动的方向。自检单元用于保证G-单元和加速计芯片的电路工作正常，出电压成比例。,图十一 G-单元的等效电路,基于加速度传感器的计步器,
