物联网传感器–加速度传感器

概述

加速度传感器在工业和消费中有许多用途，高灵敏度加速度计用于飞机和导弹的惯性导航系统；旋转机器的振动由加速度计监测，它们用于平板电脑和数码相机，以便屏幕上的图像始终直立显示；在无人机中，加速度计有助于稳定飞行。当两个或多个加速度计相互协调时，它们可以测量适当加速度的差异，特别是重力，因为它们在空间中的分离 ： 引力场的梯度，单轴和多轴加速度传感器可以检测适当加速度的大小和方向，作为矢量量，并可用于检测方向（因为重量的方向发生变化）、协调加速度、振动、冲击和在电阻介质中的下降（适当加速度变化的情况，从零开始增加）。

原理是牛顿第二定律，即加速度定律，它是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）；某种介质因加速度而变形，并测量和使用变形，相关电路被转换为电压输出。

微机械微机电系统（MEMS）加速度计越来越多地出现在便携式电子设备和视频游戏控制器中，以检测这些设备位置的变化，我们使用的智能手机大部分已经整合了这些内容。

传感器分类

压电类

压电传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应。当加速度计振动时，质量施加到压电元件上的力也会发生变化。当测得的振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化与测得的加速度成正比。

（a）所示，在没有机械应力的情况下，分子的负电荷和正电荷的中心重合，这意味着分子是电中性的。（b）所示，施加机械力会使结构变形，并将分子的正电荷和负电荷的中心分开，从而在材料中产生许多小偶极子。压电材料表面会出现一些固定电荷。产生的电荷量与施加的力成正比

压阻类

MEMS硅微加工技术，压阻式加速度计传感器具有体积小、功耗低等特点，易于与各种模拟和数字电路集成，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域

压阻效应是施加机械应变时半导体电阻率的变化。与压电效应相反，压阻效应仅引起电阻的变化，而不引起电势的变化

电容类

电容式加速度计传感器是基于电容原理的具有可变极距的电容式传感器。电容式加速度计传感器/电容式加速度计是更通用的加速度计传感器。在某些领域是无可替代的，例如安全气囊、手机和移动设备。电容式加速度计/电容式加速度计采用微机电系统（MEMS）工艺，在批量生产中变得经济，从而确保低成本.

在汽车应用中，加速度计用于激活安全气囊系统。相机使用加速度计对图像进行主动稳定,计算机硬盘驱动器还依靠加速度计来检测可能损坏设备读/写磁头的外部冲击。

霍尔类

传感器的振动系统由“mk”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上连接着一个电磁线圈。当基座上有加速度输入时，质量偏离平衡位置。位移传感器检测到它，并由伺服放大器放大并转换为电流输出。电流流过电磁线圈，在永磁体的磁场中产生电磁恢复力，试图使质量保持在仪器外壳中的原始平衡位置，因此伺服传感器在闭环状态下工作。

基于伺服的加速度计是闭环设备，以重力为参考，可确保出色的精度、长期稳定性和随时间推移的零漂移。 它们可用于各种工业和军事应用，这些应用需要高精度来实现坚固耐用的安装。 位移检测器感应运动，电流馈送到线圈以使摆锤质量回到原始位置。该电流将与加速度成正比，加速度转换为输出电压。

热导类

传热加速度计由以基板为中心的单个热源组成，并悬挂在空腔上。它们包括热源四侧等间距的温度电阻。它们测量由于加速度引起的热量内部变化。当加速度为零时，热梯度将是对称的。否则，在加速度下，由于对流传热，热梯度会变得不对称

加速度计传感器的应用

用于补偿GPS导航系统

虽然惯性导航系统不直接测量速度，但通过跟踪加速度是多少以及持续多长时间，INS可以通过将加速度乘以时间来轻松计算出速度是多少。例如，如果它看到2.5 m/s² 的加速度持续 5 秒，并且假设初始速度为 0 m/s，那么 INS 现在的速度必须为 12.5 m/s（2.5 m/s² × 5 s = 12.5 m/s）。也可以计算距离。使用s = 0.5 × at² 找到，假设惯性导航系统看到x轴上的加速度，它可以计算出它向前移动了31.25米（0.5×2.5米/秒²×5秒²=31.25米）。

GPS系统最终通过接收来自三颗120度分布的卫星的信号来确定物体的位置。在一些特殊场合和地貌，如隧道、高楼、丛林地区，GPS信号会变弱甚至完全丢失。通过安装加速度计传感器和惯性导航，可以测量系统的死区。一旦集成了加速度计传感器，它就变成了单位时间内的速度变化量，从而测量物体在盲区的运动。

用于汽车安全

通过加速度传感器可以快速确定安全气囊何时弹出，因此加速度计必须立即做出反应。通过采用可以快速达到稳定状态而不是振动的传感器设计，可以缩短设备的响应时间，压阻式加速度计传感器因其在汽车行业的广泛应用而发展最快。

加速度计已广泛应用于汽车电子领域，主要应用于车身控制、安全系统和导航，典型应用如汽车安全气囊（Airbag）、ABS防抱死制动系统、电子稳定程序（ESP）、电控悬挂系统等。

整个安全气囊控制系统包括车身外部的震动传感器（Satellite Sensor）、放置在车门、车顶、前后座椅的加速度传感器（G-Sensor）、电子控制器和安全气囊。 电子控制器通常是一个16位或32位MCU，当身体受到撞击时，震动传感器会在几微秒内向其发送信号，多年来，安全气囊的发明挽救了数百万人的生命。

在车祸报警中的应用

汽车工业飞速发展的现代，汽车已成为人们出行的主要交通工具之一，但交通事故造成的伤亡人数也非常大。在现代信息化中，利用高科技拯救人类生命将是主要研究的主题之一，基于加速度的车祸报警系统就是基于这一设计理念。

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特殊传感器。它是一种将地面振动转换为电信号的传感器。它可以将地震波引起的地面振动转换为电信号，电信号通过模拟/数字转换器转换为二进制数据。进行数据组织、存储和计算处理。加速度计传感器是一种可以测量加速度的电子设备，通常用于手机、笔记本电脑、计步器和运动检测。

其他应用

• 对于惯性导航系统，使用高度灵敏的加速度计。
• 检测和监测旋转机械中的振动。
• 在数码相机屏幕上以直立位置显示图像。
• 用于无人机的飞行稳定。
• 加速度计用于感测方向、协调加速度、振动、冲击。
• 用于检测设备在笔记本电脑和手机中的位置。
• 生物应用中双轴和三轴加速度的高频记录，用于区分动物的行为模式。
• 机械健康监测。
• 检测旋转机器中的故障。
• 这些也用于建筑和结构监测，以测量结构在承受动态载荷时的运动和振动。
• 测量 CPR 胸外按压的深度。
• 导航系统利用加速计传感器来了解方向。
• 遥感设备还使用加速度计来监测活火山。

传感器厂家

• TE
• omniinstruments
• StrainSense Limited
• Colibrys
• Oxtx
• HBK公司
• Bently Nevada
• Endevco
• Meggitt PLC
• Vishay Micro-Measurements
• Vibro-meter
• DTS
• Sensorex
• Wilcoxon
• Benstone

相关资源