一、 设计要求 1、功能与用途 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，如手提电脑的硬盘抗摔保护，另外一个用处就是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，自动调节相机的聚焦。而这些产品中由于要求对温度的干扰有很大的免疫力，其中采用的都是压电式加速度传感器。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面，灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到的重要因素之一。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 2、指标要求 分别用压电式传感器、电阻应变式传感器、电容传感器实现加速度的测量将非电量转化为电量输出。 二、设计方案及其特点 依据压电效应、电阻应变效应以电容相关的物理参数及性质随外力而变化的特性，可制作成压电式加速度传感器、电阻应变式加速度传感器及电容式加速度传感器。三种加速度传感器的设计及特点分别叙述如下： 1、方案一 压电式加速度传感器 压电加速度测量系统结构框图如图1所示： 压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件 ,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料 ,当沿着一定 压电加速度 传感器 电荷放大器 信号处理电 路 A/D 转 换电路 图1 压电加速度测量系统结构框图
方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象 ,同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷;当外力去掉后 ,又重新恢复不带电的状态;当作用力的方向改变时 ,电荷的极性也随着改变。电信号经前置放大器放大 ,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小 ,从而得出物体的加速度 加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图2。 方案二 电阻应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m 。 图3中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4 。 测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压， 即可得出加速度a 值的大 图2 压电式加速度计的幅频特性曲线 3 2 1 4 1—等强度梁；2—质量块；3—壳体； 4—电阻应变敏感元体 图3 应变式加速度传感器结构
力平衡加速度传感器原理设计 摘要：本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上，采用差动电容结构，利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化，将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。 关键词：加速度差容式力平衡传感器 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。 1、加速度传感器原理概述 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百 MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。 差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出
一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。 2、变间隙电容的基本工作原理 如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示： 由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。 由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在
FEA-加速度传感器系列 FEA-XX-YZZ-M1和M2系列 测量范围：±0.5g，±1g，±2g，±3g，±6g，±18g，±50g。 测量轴数：单轴、双轴和三轴 供电电压：5V，12V，24V，9-32V（可选） 输出信号：0-5V，4-20mA，CANBUS，RS232，RS485，RS422，LED，LCD，开关量 分辨率：10-5-10-7g（根据测量范围和精度等级而定） 非线性：0.05%FS-1%FS（根据测量范围和精度等级而定） 温度漂移：0.1mg-0.5mg/ oC（根据测量范围和精度等级而定） 工作温度范围：-40oC -+80oC 防护等级：IP65-IP68（可选） 频率响应：0.5-20Hz（可选） 外壳：可选，见产品外壳与连接器，铝合金材料。 FEA-XX-YZZ-I1和I2系列 测量范围：±0.5g，±1g，±2g，±3g，±6g，±18g，±50g。 测量轴数：单轴、双轴和三轴 供电电压：5V，12V，24V，9-32V（可选） 输出信号：0-5V，4-20mA，CANBUS，RS232，RS485，RS422，LED，LCD，开关量 分辨率：10-3g-10-5g（根据测量范围和精度等级而定） 非线性：0.5%FS-2%FS（根据测量范围和精度等级而定） 温度漂移：0.5mg-3mg/ oC（根据测量范围和精度等级而定） 工作温度范围：-25oC -+80oC 防护等级：IP65-IP68（可选） 频率响应：0.5-20Hz（可选） 外壳：可选，见产品外壳与连接器，铝合金材料。 FEA-XX-YZZ-C1和C2系列 测量范围：±0.5g，±1g，±2g，±3g，±6g，±18g，±50g。 测量轴数：单轴、双轴和三轴 供电电压：5V，12V，24V，9-32V（可选） 输出信号：0-5V，4-20mA，CANBUS，RS232，RS485，RS422，LED，LCD，开关量 分辨率：10-2-10-4g（根据测量范围和精度等级而定） 非线性：1%FS-3%FS（根据测量范围和精度等级而定） 温度漂移：2 mg-5mg/ oC（根据测量范围和精度等级而定） 工作温度范围：-10oC -+60oC 防护等级：IP65-IP68（可选） 频率响应：0.5-20Hz（可选） 外壳：可选，见产品外壳与连接器，铝合金材料。 特别说明 产品性能、外壳以及连接器都可以根据客户的要求定制。 外壳及尺寸和连接器 加速度传感器所需要的外壳与连接器可参考《产品外壳与连接器》栏目进行选择，或者根据你的要求来定制。
加速度传感器选型 压电加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。在一般通用振动测量时，用户主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构、内置电路型与纯压电型的区别，现场环境与后续仪器配置等。 一、灵敏度的选择 制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量程范围，目的是让用户在选择不同灵敏度的加速度传感器时能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。 估算方法：最大被测加速度×传感器电荷（电压）灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入电荷（电压）值。建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：以电荷输出型压电加速度传感器为例： 1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右，可选电荷灵敏度在300pC/ms-2～ 30pC/ms-2的压电加速度传感器，属于电荷输出型压电加速度传感器 2、特殊的土木结构（如桩基）和机械设备的振动在100ms-2～1000ms-2，可选择20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度传感器。 3、冲击，碰撞测量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2～ 0.002pC/ms-2的加速度传感器。 二、频率选择 制造商给出的加速度传感器的频响曲线是用螺钉刚性连接安装的。 一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差给出的，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的，但也有特例，如轴承故障检测。选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz～1kHz，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz～ 5kHz 的加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时，除以60s 此时它的主频率为50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。 加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)。 安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。我们给出同一只AD500S 加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接（±10%误差）10kHz；环氧胶或“502”粘接安装6kHz；磁力吸座安装 2kHz；双面胶安装1kHz。由此可见，安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，质量大，使用频率低，这也是选择的技巧。 三、内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。 中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。 四、内置电路 内置的概念是将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP) 两种，下面所指内装电路专指ICP
Endevco （恩德福克）加速度传感器在汽车领域的应用 近30年来，Endevco 的压阻式加速度传感器已成为汽车障碍物及模拟假人安全性测试的行业标准。Endevco 的压电式，集成压电式和可变电容式加速度传感器能够用于汽车发动机，排气系统，部件和停车系统的动态测试是基于它尺寸微小，耐高温及结构牢固的特点。Endevco 压力传感器主要是用于防刹车锁死系统（ABS ），传动装置，燃料油系统以及安全气囊充气器等汽车检测系统的测试。这些压力传感器运用了先进的硅微技术元件并能产生高宽频响和高信号输出，从而使其成为那些过去由于尺寸原因而无法实现应用的理想选择。 Endevco 加速度传感器是有国家公路交通安全管理局（NHTSA ）和其他政府机构认定的用于制定原厂规格的首要产品。同时继续提供技术指导，Endevco 的碰撞传感器已经达到或超过了SAE 规格的J211和J2579的要求。 Model 7264系列是一组重量只有1g 的压阻式加速度传感器。用于颤振试验，模型检验，生物动态测试及其他相关领域，要求低质量加载且宽频率响应。还可以用于轻量级物件的冲击测试，符合模拟假人测试SAEJ211规格。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择 Model 7264B 相对Model 7264有所改进。它利用了一个先进的带有完整机 械限动气的微型元件。这个单片传感器相对原来的设计提供了更加良好的坚固性，稳定性和可靠性。Model 7264B 阻尼极小，因此在有效频率范围内不会产生相位移。Model 7264B 符合SAEJ211冲击试验性能规格和SAEJ2570假人测试装置传感器规格。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择。 Model 7264C 相对Model 7264有所改进。并可直接替换Model 7264，因为测 震质量的中心位置是相同的。它利用了一个先进的带有完整机械限动器的微型元件。Model 7264C 同样符合SAEJ211冲击试验性能和SAEJ2570假人测试装置传感器规格。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择。 Model 7264D 相对这个类型的其他型号的传感器做了很大的改进。它大于 40000HZ 的高谐振频率可以使其在不受杂散影响的情况下对许多频率作出响应。可直接替换Model 7264和Model 7264C ，因为测震质量的中心位置是相同的。Model 7264D 同样符合SAEJ211冲击试验性能和SAEJ2570假人测试装置传感器规格。Model 7264D 可提供优良的线性，标准低横向灵敏度和低零测量输出（ZMO ）误差。有各种线缆和连接器供选择。 Model 7231C-750是一款专为汽车碰撞试验研究的坚固，无阻尼，中等g 值的压阻式加速度传感器。已经成为假人响应研究的FMVSS208标准，可用来测量假人头部、胸部 、臀部及身体其他部位的加速度进而研究车辆安全性能及约束设计。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择。 Model 7265A 系列是一组低质量的压阻式加速度传感器，它是专为那些要求 G&P Technology 冠标科技有限公司 Endevco
加速度传感器参数讲解（AD）Accelerometer Specifications - Quick Definitions Measurement range is the level of acceleration supported by the sensor’s output signal specifications, typically specified in ±g. This is the greatest amount of acceleration the part can measure and accurately represent as an output. For example, the output of a ±3g accelerometer is linear with acceleration up to ±3g. If it is accelerated at 4g, the output may rail. Note that the breaking point is specified by the Absolute Maximum Acceleration, NOT by the measurement range. A 4g acceleration will not break a ±3g accelerometer. Sensitivity is the ratio of change in acceleration (input) to change in the output signal. This defines the ideal, straight-line relationship between acceleration and output (Figure 1, gray line). Sensitivity is specified at a particular supply voltage and is typically expressed in units of mV/g for analog-output accelerometers, LSB/g, or mg/LSB for digital-output accelerometers. It is usually specified in a range (min, typ, max) or as a typical figure and % deviation. For analog-output sensors, sensitivity is ratiometric to supply voltage; doubling the supply, for example, doubles the sensitivity. Sensitivity change due to Temperature is generally specified as a % change per °C. Temperature effects are caused by a combination of mechanical stresses and circuit temperature coefficients.
应变片式加速度传感器设计
应变片式加速度传感器 姓名： 学号： 院（系）：电气工程学院 专业名称：电气工程及其自动化班级：电气2（专升本）
2015年5月20日 说明书摘要 通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。其结构由（1）惯性质量块（2）应变量 (3) 硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块组成。应变片式加速度传感器通过敏感栅将低频运动物体的加速度转化为应变片的应变，引起电桥桥臂电阻的变化，经过温度补偿、放大后输出加速度信号。其特点为应变片式加速度传感器具有体积小、低功耗、结构简单、抗干扰能力强、运行稳定、经济性好。 1
权利要求书 1、通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。其结构由（1）惯性质量块（2）应变量 (3 )硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块组成。电桥采用直流12V电源供电，采用稳压的直流电源供电，运放器采用双电源供电，电源电压为±12V。 2、加速度传感器的敏感轴检测输入加速度，并将其作用转换为电阻应变片阻值的变化，通过变送电路，将这种变化转换为对应的电压输出，从而达到测量加速度的目的。传感器的主要量程：±20g；输出：0～5V；零位输出：2.5V，用应变片测量的应变是通过测量敏感栅的电阻相对变化来得到。应变片灵敏度系数很小（K≈2），而机械应变一般在10με～3000με之间（有时也可达到6000με），电阻相对变化是很小的，需要采用差动电桥。当悬臂梁发生形变时，应变片的电阻值发生改变，全桥式布片应变引起应变片电阻的变化，从而达到测量振动加速度的目的。当悬臂梁受到加速度作用时，其自由端必将发生位移，通过计算得到加速度—电压的转换关系。
加速度传感器原理与应用简介 1、什么是加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。 2、加速度传感器一般用在哪里 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是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。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 3、加速度传感器是如何工作的 线加速度计的原理是惯性原理，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。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 ·压电式 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压
加速度传感器测振动速度与位移方案 1. 测量方法（基本原理） 设加速度传感器测量振动所得的加速度为：()a t （单位：m/s 2） 对加速度积分一次可得速率： 1 1()()[ ]2N i i i a a v t a t dt t -=+==?∑? (单位：m/s) 对速率信号积分一次可得位移：1 1 ()()[ ]2 N i i i v v s t v t dt t -=+==?∑? (单位：m) 其中： ()a t 为连续时域加速度波形 ()v t 为连续时域速率波形 ()s t 为连续位移波形 i a 为i 时刻的加速度采样值 i v 为i 时刻的速率值 0a =0；0v =0 t ?为两次采样之间的时间差 2. 主要误差分析 误差主要存在以下几个方面： 1）零点漂移所带来的积分误差 由于加速度传感器的输出存在固定的零点漂移。即当加速度为0g 时传感器输出并不一定为0，而是一个非零输出error A 。传感器的输出值为：()a t +error A 。对error A 二次积分会产生积分累计效应。 2）积分的初始值所带来的积分误差 0a 和0v 的值并不为零，同样会产生积分累计效应。 3）高频噪声信号所带来的误差 高频噪声信号会对瞬时位移值测量精度带来影响，但积分值能相互抵销而不会带来累计。 3. 解决办法 1）零点漂移和积分初始值不为零可以加高通滤波器的方法滤除。
2）高频噪声信号的影响并不大，为了达到更高的精度，可以加一个低通滤波器。 选择高通滤波器和低通滤波器合理的截至频率，可以得到较理想的结果。 （注：高通滤波即去除直流分量；低通滤波即平滑滤波算法）。 4. 仿真研究 4.1 问题的前提背景 1.本课题研究的对象是桥梁振动的加速度()a t ，速度()v t 和位移()s t ，可以认为桥梁的加速度，速度，位移的总和为0。 即：0()0a t dt ∞ =? 0()0v t dt ∞ =? ()0s t dt ∞ =? 其离散表达式为：00()N i i a N ===∞∑ 0()N i i v N ===∞∑ 0()N i i s N ===∞∑ 2.加速度传感器测量值存在误差，它主要是在零点漂移和测量噪声两个方面。 即测量值()()()measure error a t a t a t =+ 其中：()measure a t 为加速度传感器测量加速度值 ()a t 为桥梁振动的实际加速度值 ()error a t 为传感器测量误差 3.振动速度与振动位移取决于振动加速度与振动频率，可以证明，振动速度与振动加速度成正比，与振动频率成反比；振动位移与振动速度成正比，与振动频率成反比。 4.2 仿真 1.取一组仿真用振动加速度信号：()9.8sin(240)3measure a t t π=??+，如图1所示。 其中：()measure a t 代表加速度传感器测量值
微系统设计与应用 加速度传感器的原理与构造 班级：2012机自实验班 指导教师：xxx 小组成员：xxx xx大学机械工程学院 二OO五年十一月
摘要 随着硅微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展,各种基于MEMS技术的器件也应运而生,目前已经得到广泛应用的就有压力传感器、加速度传感器、光开关等等,它们有着体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等特点,而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容,易于实现数字化、智能化以及批量生产,因而从问世起就引起了广泛关注,并且在汽车、医药、导航和控制、生化分析、工业检测等方面得到了较为迅速的应用。其中加速度传感器就是广泛应用的例子之一。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。本文着手于不同加速度传感器的原理、制作工艺及应用展开，能够使之更加全面了解加速度传感器。 关键词：加速度传感器，压阻式，电容式，原理，构造
目录 1 压阻式加速度传感器 (2) 1.1 压阻式加速度传感器的组成 (2) 1.2 压阻式加速度传感器的原理 (2) 1.2.1 敏感原理 (3) 1.2.2 压阻系数 (4) 1.2.3 悬臂梁分析 (5) 1.3 MEMS压阻式加速度传感器制造工艺 (6) 1.3.1结构部分 (6) 1.3.2 硅帽部分 (8) 1.3.3键合、划片 (9) 2电容式加速度传感器 (9) 2.1电容式加速度传感器原理 (9) 2.1.1 电容器加速度传感器力学模型 (9) 2.1.2电容式加速度传感器数学模型 (11) 2.2电容式加速度传感器的构造 (12) 2.2.1机械结构布局的选择与设计 (12) 2.3.2材料的选择 (14) 2.3.3工艺的选择 (15) 2.3.4具体构造及加工工艺 (16) 3 其他加速度传感器 (18) 3.1 光波导加速度计 (18) 3.2微谐振式加速度计 (18) 3.3热对流加速度计 (19) 3.4压电式加速度计 (19) 4 加速度传感器的应用 (20) 4.1原理 (20) 4.2 功能 (20) 参考文献 (22)
压 电 式 加 速 度 测 试 系 统 姓名：张书峰 学号：201003140125 学院：机电学院 班级：机自101 指导教师：王玮
一设计概论 压电传感器是一种可逆性传感器，既可以将机械能转换为电能，又可以将机械能转换为电能。它是利用某些物质（如石英、钛酸钡或压电陶瓷、高分子材料等）的压电效应来工作的。在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量的目的。因此是一种典型的自发电式传感器。压电传感器是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如，动态力、动态压力、振动加速度等 现有测试系统的各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为：信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)。它们间的 关系可 用右框 图来表 示。 其中传感器是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位 置。它获得信息 的正确与否，直 接影响到整个 测量系统的测 量效果。测量电 路的作用是把 传感器的输出
变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图1.2 二整体设计方案 1、测量的示意图 2、设计的原理 压电式加速度传感器属于惯性式传感器，工作原理是以某些物质的压电效应为基础，在加速度计受振时，加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比，可以把被测的非电物理量加速度转化为电量。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常器信号选用电荷放大器作为电信号的测量电路。 3、方框图
电荷输出型 传统的压电加速度计通过内部敏感芯体输出一个与加速度成正比的电荷信号。实际使用中传感器输出的高阻抗电荷信号必须通过二次仪表将其转换成低阻抗电压信号才能读取。由于高阻抗电荷信号非常容易受到干扰，所以传感器到二次仪表之间的信号传输必须使用低噪声屏蔽电缆。由于电子器件的使用温度范围有限，所以高温环境下的测量一般还是使用电荷输出型。北智BW-Sensor采用进口陶瓷的加速度计可在温度-40oC~250oC范围内长期使用。 低阻抗电压输出型（IEPE） IEPE型压电加速度计即通常所称的ICP型压电加速度计。压电传感器换能器输出的电荷通过装在传感器内部的前置放大器转换成低阻抗的电压输出。IEPE型传感器通常为二线输出形式，即采用恒电流电压源供电;直流供电和信号使用同一根线。通常直流电部分在恒电流电源的输出端通过高通滤波器滤去。IEPE型传感器的最大优点是测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和远距离测量，特别是新型的数采系统很多已配备恒流电压源，因此，IEPE传感器能与数采系统直接相连而不需要任何其它二次仪表。在振动测试中IEPE传感器已逐渐取代传统的电荷输出型压电加速度计。 传感器的灵敏度，量程和频率范围的选择 压电型式的加速度计是振动测试的最主要传感器。虽然压电型加速度计的测量范围宽，但因市场上此类加速度计品种繁多，所以给正确的选用带来一定的难度。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/f7749932.html,/
目录 摘要 ..................................................................................................... III Abstract ................................................................................................ IV 第1章绪论 . (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 课题目的与意义 (2) 1.3 课题研究现状 (3) 1.4 本文主要容及结构安排 (5) 第2章硬件设计 (6) 2.1 硬件器件的选择 (6) 2.1.1 SPCE061A单片机 (6) 2.1.2 MMA7260QT三轴加速度传感器 (10) 2.2 系统电路的连接 (11) 2.3单片机控制单元的硬件设计 (13) 2.3.1 输入/输出控制单元设计 (13) 2.3.2 模拟数字转换设计 (16) 2.3.3 DAC方式音频输出设计 (23) 2.4 传感器控制单元设计 (24) 2.5 本章小结 (26) 第3章软件设计 (27) 3.1 软件系统的开发设计 (27) 3.2 音频设计 (29) 3.2.1 音频处理方案 (29) 3.2.2 语音自动播放函数设计 (30) 3.2.3 语音文件压缩设计 (33) 3.3 I/O接口及A/D转换设计 (34) 3.3.1 I/O接口设计 (34) 3.3.2 A/D转换设计 (34) 3.4 主程序设计 (36)
3.5 本章小结 (40) 结论 (41) 参考文献 (43) 致 (45) 附录一： (46) 附录二： (64)
如果加速度传感器大测量信号失真我们从两个大的方面分析：信号输出变小和偏置电压不稳定。其实想偏置电压不稳定这种情况，我们可以直接能判断的是输出信号与高频谐次波叠加，遇到这种情况一般是由加速度传感器的谐振频率造成，我们可以选择谐振频率较高的传感器。 而信号输出变小这种情况我们需要从四个方面去考虑：首先是由于供电电压降低而造成测量量程范围减小，这种表示需要更换电池或更正供电电压。其次是因环境温度与室温不同而导致的偏置电压超出规定的范围，当然这种我们需要采用偏置电压稳定的传感器。再者还有由加速度传感器的非线性造成，我们就需要采用量程大的传感器。最后一种情况就是在长距离信号输送时，恒流电压源的恒电流不够大，这种情况我们需要根据信号频率幅值选择正确的电压源恒电流。以上就是加速度传感器大测量信号失真的几种大的故障分析以及解决办法。 而加速度传感器小测量信号失真，我们需要从三个方面去考虑：信号忽大忽小不稳定，外界环境噪声对测量信号的影响以及测量系统噪声对测量信号的影响。关于信号忽大忽小不稳定一般是由瞬态温度变化以至偏置电压忽大忽小而造成输出信号不稳定，当然这种情况我们还是采用偏置电压稳定的传感器来解决。 接下来我们分析的是测量系统噪声对测量信号的影响：这种我们按照四种情况分析，一是加速度传感器自身的电噪声，我们需要检定传感器噪声，选择信噪比合适的传感器。二是电缆引起的电噪声，往往发生在与电荷输出型传感器配用的低噪声电缆，我们是换用好的低噪声屏蔽电缆。三是传感器供电电源噪声，这种我们肯定是要选用低噪声供电电源或采用电池供电。四是数采系统的量程设置，当然我们需要选择合适的量程才行。 最后我们分析的是外界环境噪声对测量信号的影响：这个又分为接地回路造成的噪声，避免多点接地，传感器采用对地绝缘。电磁波的影响，采用双层屏蔽壳的传感器。强声场的影响，采用双层屏蔽壳的传感器将有助于降低强声场对加速度传感器的影响。瞬态环境温度变化，对用于超低频测量的高灵敏度传感器必须采用隔热护套。和被测点的基座应变影响，我们需要选用基座应变小的剪切型加速度传感器，尽量减小传感器与被测物体间的接触面积。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/f7749932.html,/
产品规格书 PRODUCT SPECIFICATION 深圳云里物里科技股份有限公司 Version 2.2发布时间 2017-08-04 MODEL NO/DESCRIPTION 产品名称:迷你型加速度传感器iBeacon 产品型号:i4
目录 1.产品简介 (3) 2.产品特点 (4) 3.运用范围 (4) 4.产品物理特性 (4) 5.技术参数 (5) 6.电气特性 (5) 7.LIS2DHTR传感器性能参数 (5) 8.默认参数 (6) 9.支持设备 (6) 10.操作说明 (7) 11.认证信息 (7) 12.包装信息 (7) 13.质量保障 (8)
i4迷你型加速度传感器iBeacon为信号白，能够配合各种装修风格；本产品的极限距离可达80米，能够降低部署成本；采用CR2477电池(1000mAH)，支持微信摇一摇接入。中间可丝印或滴胶logo。 立面侧面 内部结构
外形小巧 采用CR2477电池(1000mAH) 支持微信摇一摇接入 增加超低功耗、高性能、3轴线性加速度传感器(LIS2DHTR) 内置温度传感器 传感器可选择的G值范围：±2g、±4g、±8g、±16g 加速度传感器的输出数据频率：1Hz-5.3kHz 传感器具有“睡眠唤醒”与“重返睡眠”功能 并有两个独立的可编程中断入口可用于监测自由跌落以及姿态检测 3.运用范围 传感器ibeacon可配合手机APP显示方向、运动激活、运动记步、移动监测、摇摆控制等；线下顾客广告、优惠券推送，精准营销；商场、机场等大型公众场合室内定位；旅游景点、博物馆等线上讲解；展会、论坛、办公室签到；网址：https://www.doczj.com/doc/f7749932.html,基于位置的实时消息推送，如现场资料、会议流程分享等；演唱会、大型赛事等观众互动。 4.产品物理特性 型号I4 外壳材质PC 外壳颜色信号白 外型尺寸?37x16.5mm 产品重量21g(含电池) 使用电源CR2477 供电电压 3.0VDC 安装方式双面胶粘贴
工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。 描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。 传感器的种类选择 ·压电式- 原理和特点 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常
大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 ·压阻式 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。 ·电容式 电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；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。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。
微机电系统设计与制造 到宿 到山顶 舍 ： 四点底但是 的是 是的上单 上单是的
目录 0 引言 (1) 1 人体运动模型 (2) 2 算法设计 (3) 3 硬件实现 (5) 4 结论 (6) 参考文献 (7)
基于加速度传感器LIS3DH 的计 步器设计 摘要：设计了一种基于微机电系统( MEMS) 加速度传感器LIS3DH 的计步器， 包括运动检测、数据处理和显示终端。数字输出加速度传感器LIS3DH 作为运动检测模块，检测人体运动时加速度变化; 数据处理模块对加速度信息进行处理，使用FFT 滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响，利用加速度变化的上升、下降区间实现计步功能。实验结果表明: 该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作稳定的特点，能够提供较高精度的计步功能。 关键词：微机电系统; 计步器; 加速度传感器; 高精度 0 引言 计步器是一种日常锻炼进度监控器，可以计算人们行走的步数，估计行走距离、消耗的卡路里，方便人们随时监控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。 早期的机械式计步器利用人走动时产生的振动触发机械开关检测步伐，虽然成本低，但是准确度和灵敏度都很低，体积较大，且不利于系统集成。随着MEMS 技术的发展，基于MEMS 技术的惯性传感器得到迅速发展，其具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特点，利用MEMS 加速度传感器设计的电子计步器，通过测量人体行走时的加速度信息，经过软件算法计算步伐，可以克服机械式计步器准确度和灵敏度低的缺点，可准确地检测步伐，同时还可以输出运动状态的实时数据，对运动数据进行采集和分析。 本文基于LIS3DH［1］加速度传感器设计了一种电子式计步器，该传感器是意法半导体( ST) 公司的三轴重力加速度传感器，可以精确测得人行走时的步态加速度信号，具有功耗低、精确度和灵敏度高的特点。