加速度传感器的工作原理和应用案例

根据传感器敏感元件的不同,常见的加速度传感器包括压电式、压阻式、电容式、应变式等。压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点,易于集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

        加速度传感器(acceleration transducer)是一种惯性传感器,能够测量物体的加速力。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。

        根据牛顿第二定律加速度a = F / m,在加速过程中,传感器通过敏感元件对质量块所受惯性力的测量,即可得到加速度值。

        根据传感器敏感元件的不同,常见的加速度传感器包括压电式、压阻式、电容式、应变式等。

压电式加速度传感器

        压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。敏感元件在一定方向上受到惯性力作用变形时,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(Q = dF),输出与加速度成正比的电荷或电压。


压电式加速度传感器

压阻式加速度传感器

        基于世界领先的MEMS硅微加工技术,利用单晶硅材料的压阻效应制成的,单晶硅受到应力作用后,(晶体的晶格产生形变,载流子产生从一个能谷到另一个能谷的散射,载流子的迁移率发生变化,扰动了纵向和横向的平均有效质量)其电阻率就会发生变化,硅的压阻效应与晶体的取向有关。

        压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点,易于集成在各种模拟和数字电路中,广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。


           当悬臂梁自由端的质量块敏感外界加速度时,由于受惯性力的作用,压阻元件上产生应变ε,则电桥的输出电压为电源电压与应变量的乘积。

电容式加速度传感器

        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。


 伺服式加速度传感器

        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。


应变式加速度传感器

        应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。加速度传感器中质量块相对于基座(被测物体)产生位移,应变片的敏感栅也受力变形,从而使其电阻随之发生变化,将电阻变化转换成电压或电流的变化进而测量加速度。

 

加速度传感器应用于地震检波器设计

        地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器,是一种将地面振动转变为电信号的传感器,能把地震波引起的地面震动转换成电信号,经过模/数转换器转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备,典型应用在手机、笔记本电脑、步程计和运动检测等。

加速度传感器技术应用于车祸报警

        现在汽车工业高速发展,汽车成了出行的重要交通工具,但因交通事故伤亡数量也十分巨大。交通事故发生时,往往伴随着剧烈的碰撞或急剧的减速过程。因此,加速度是最直观也同样是最容易用来判别事故发生时的物理监测量。基于加速度的车祸报警系统即当发生车祸之后,该系统能能立即让监控中心获得车祸信息,并指引救援人员到达事故现场,及时展开救援工作,以达到尽量减少事故人员伤亡的目的。典型应用包括:汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面

加速度传感器应用于监测高压导线舞动

        目前国内对导线舞动监测多采用视频图像采集和运动加速度测量两种主要技术方案。前者在野外高温、高湿、严寒、浓雾、沙尘等天气条件下,不仅对视频设备的可靠性、稳定性要求很高,而且拍摄的视频图像的效果也会受到影响,在实际使用中只能作为辅助监测手段,无法定量分析导线运动参数;而采用加速度传感器监测导线舞动情况,虽可定量分析输电导线某一点上下振动和左右摆动的情况,但只能测出导线直线运动的振幅和频率,而对于复杂的圆周运动,则无法准确测量。所以我们必须加快加速度传感器的发展来适应诸如此类环境下进行应用。

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