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加速度传感器原理在现代科技进步的背景下，传感器技术被广泛应用于各个领域。
其中，加速度传感器作为一种重要的传感器，被广泛应用于汽车、航空航天、工业控制等领域。
本文将介绍加速度传感器的原理及其应用。
一、加速度传感器的基本原理加速度传感器是一种测量物体加速度的装置。
其基本原理是利用牛顿第二定律F=ma，其中F表示物体所受的力，m表示物体的质量，a 表示物体的加速度。
加速度传感器通过测量物体所受力的大小，从而间接测量物体的加速度。
常见的加速度传感器是基于微电机和微机械系统技术的MEMS加速度传感器。
它由微机械结构和信号处理电路组成。
微机械结构中包含质量块和支撑结构，当物体发生加速度时，质量块会相对于支撑结构发生位移，这个位移可以通过信号处理电路转化为电信号输出。
二、加速度传感器的工作原理加速度传感器的工作原理主要有质量块法、压电效应法和微机械共振法等。
1. 质量块法质量块法是一种常见的加速度传感器工作原理。
它通过一个质量块和支撑结构构成，质量块会相对于支撑结构发生微小位移，进而通过信号处理电路转化为电信号输出。
这种传感器广泛应用于汽车安全气囊系统等领域。
2. 压电效应法压电效应法是一种基于压电材料的加速度传感器工作原理。
压电材料在受力作用下会产生电荷累积，通过测量物体施加在压电材料上的电荷积累情况，可以得到物体的加速度。
这种传感器广泛应用于运动监测、结构健康监测等领域。
3. 微机械共振法微机械共振法是一种基于微机械共振效应的加速度传感器工作原理。
它通过微机械结构的固有振动频率和其受到的外力共振频率的比较，可以得到物体的加速度。
这种传感器在航空航天领域有着广泛的应用。
三、加速度传感器的应用加速度传感器作为一种重要的传感器，应用广泛。
1. 汽车行驶状态监测汽车中常用的加速度传感器可以检测车辆加速度的变化，从而监测车辆的行驶状态。
当车辆发生剧烈变化时，比如急刹车或者碰撞，加速度传感器可以及时检测到，并触发相应的安全措施，以减少事故发生的风险。
压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。
而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。
压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
一、压电式传感器的工作原理1、压电效应某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。
压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
2、压电式压力传感器的特点压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。
是一种自发电式和机电转换式传感器。
它的敏感元件由压电材料制成。
压电材料受力后表面产生电荷。
此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。
式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。
为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。
在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
二、压电压力传感器等效电路和测量电路在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。
传感器实验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。
加速度传感器知识准备1 以上知识点，可参阅<M M A 7660.P D F >讯方公司 传感器实验通过本实验了解加速度传感器的硬件电路和工作原理1．编写一个读取加速度传感器输出信号的程序2． 将X 、Y 、Z 三个轴的加速度值分别做简单的处理显示1． 硬件部分（1） 采集节点一个（2）J-Link 仿真器一个 （3） 显示终端一台 （4） 加速度传感器一个2． 软件部分Keil μVision4 开发环境，J-Link 驱动程序1． 加速度传感器工作原理电路中用到，加速度传感器电路、信号放大电路、单片机系统、状态显示系统构成。
其基本工作原理：经过信号放大电路，加速度传感器电路将感受到X 、Y 、Z 三个轴加速度以数字形式输出至单片机系统, 由状态显示系统进行显示。
加速度传感器工作框图如图5-1：图5-1 电路工作框图2.加速度传感器的硬件电路图电路中，加速度传感器电路如图5-2。
图5-2 加速度传感器原理图3.工作模式:mma7660主要有三种工作模式.(通过设置MODE寄存器)1).Standby(待机)模式此时只有I2C工作,接收主机来的指令. 该模式用来设置寄存器. 也就是说, 要想改变mma7660的任何一个寄存器的值,必须先进入Standby模式. 设置完成后再进入Active或Auto-Sleep模式.2).Active and Auto-Sleep (活动并且Auto-Sleep) 模式mma7660的工作状态分两种, 一种是高频度采样, 一种是低频度采样. 为什么这样分呢, 为了节省功耗,但是在活动时又保持足够的灵敏度. 所以说mma7660的Active模式其实又分两种模式,一种是纯粹的Active模式, 即进了Active模式后一直保持高的采样频率,不变. 还有一种是Active & Auto-Sleep模式, 就是说系统激活后先进入高频率采样,经过一定时间后,如果没检测到有活动,它就进入低频率采样 ,所以就叫做Auto-Sleep, Sleep并不是真的Sleep , 只是说降低采样频率.低频率采样模式又叫Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.3). Auto-Wake (自动唤醒) 模式Auto-Sleep后就进入低频率采样模式,这种模式就叫做Auto-Wake摸式, 即自动唤醒模式.它不是睡眠模式, 它只是降低采样频率.讯方公司传感器实验6 实验步骤实验基本步骤如下：1．启动Keil μVision4，新建一个项目工程Bank，添加常用组，并添加相应库函数；2．在user文件中建立main.c,SystemInit.c,PublicFuc.c文件；3．新建一个组sensor，在sensor中编写读取加速度传感器数值变化的代码；4．编译链接工程，并生成hex 文件，所有文件如下图6-1所示：图6-1 文件示意图5．将加速度传感器接到传感器接口1；图 6-2 加速度传感器6．将J-Link仿真器、ZigBee路由器接入传感器采集节点,仿真器USB 接口连入PC 机，插好电源，并打开开发实验箱上的电源开关，如图6-3：图6-3 硬件连接示意图7． 将ZigBee 协调器接入智能网关，插好电源，并打开电源启动智能网关系统，运行传感器实验显示程序；图6-4 传感器实验显示程序电源开关电源传感器接口1传感器接口2传感器接口3J-LINK 接口ZigBee_DEBUG复位 节点按键 拨码开关 ZigBee 按键 红外发射天线指示灯ZigBee 复位讯方公司 传感器实验图6-5 智能网关连接示意图8． 选择【Debug 】->【Start/Stop Debug Session 】,启动J-Link 进行仿真调试； 9． 选择【Debug 】->【run 】或者按快捷键“F5”,运行程序； 10． 验证：移动加速度传感器，观察显示屏上数值的变化；11． 验证完毕后，退出J-Link 仿真界面，关闭Keil μVision4软件；关闭硬件电源，整理桌面； 12． 实验完毕。
压电式加速度传感器的工作原理
压电式加速度传感器是一种利用压电效应测量加速度的传感器。
它由一个压电晶体和质量块组成。
工作原理如下：
1. 当加速度传感器受到加速度作用时，质量块会受到力的作用而发生位移。
2. 位移的变化引起压电晶体的压电效应，从而在晶体上产生电荷。
3. 电荷由传感器输出接口传送到外部电路进行信号处理。
4. 根据电荷的大小，可以计算得到加速度的数值。
压电式加速度传感器的工作原理主要基于压电效应，即一些材料在受到力或压力作用时会产生电荷。
这种工作原理具有快速响应、高精度和宽工作频率范围等优点，因此常被应用于振动测量、机械设备监测、运动控制等领域。
压电传感器的等效电路压电传感器是一种常用的传感器，其原理是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能，实现对压力、力、加速度等物理量的测量。
压电传感器的等效电路一般由压电传感元件和相关电路组成。
压电传感元件一般采用压电陶瓷材料，主要由触发板、压电陶瓷片和底座组成。
触发板是用来接受外部压力或力的作用，将机械能转换为压电效应；压电陶瓷片是压电元件的核心部分，负责将机械能转换为电能；底座是固定压电陶瓷片和触发板的支撑结构。
压电传感器的等效电路可分为感应电路和放大电路两部分。
感应电路主要是将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号，常用的感应电路有放大电荷放大器和运算放大器。
放大电荷放大器一般由前置放大电路和后置放大电路组成，前置放大电路用于对由压电陶瓷片产生的微小电荷进行放大，后置放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行进一步放大。
运算放大器一般采用差分放大电路，通过将压电陶瓷片产生的电压信号与参考电压进行差分放大，得到输出电压信号。
放大电路输出的电压信号一般较小，为了进一步增强信号强度和减小噪声，需要使用放大器进行放大。
常用的放大器有运算放大器和分立元件放大器。
运算放大器是一种常用的放大器，具有高增益、低失真和高输入阻抗等特点，可以将输入信号放大几十倍甚至更多。
分立元件放大器则是通过使用晶体管、场效应管等分立元件构成，具有较高的功率输出和较低的噪声水平。
压电传感器的等效电路还需要包括一些辅助电路，如滤波电路和稳压电路。
滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声，使得输出信号更加清晰和准确。
稳压电路用于稳定电压信号，避免由于电源波动等原因对传感器输出的影响。
总的来说，压电传感器的等效电路主要由压电传感元件、感应电路、放大电路和辅助电路组成。
其中感应电路将压电传感元件输出的电荷信号转换为电压信号，放大电路对输出信号进行进一步放大，辅助电路保证电路的稳定性和准确性。
这些电路的设计和优化将直接影响到压电传感器的测量精度和稳定性。
压电式力传感器原理
压电式力传感器是一种常用的力测量设备，其原理基于压电效应。
压电效应是指某些晶体材料在受到力的作用下会产生电荷的现象。
压电传感器通常由压电传感元件和前端电子信号处理电路组成。
压电传感元件由压电材料构成，常用的压电材料有石英、压电陶瓷等。
当受到外力作用时，压电材料会产生形变，进而改变其内部的电荷分布。
这种形变导致了压电材料产生电荷的极性和大小发生变化。
传感元件前端的电子信号处理电路用于放大和处理压电材料产生的微弱电信号。
它将压电材料产生的电荷转换成电压或电流信号，并进行调理和滤波，以便进行精确的力测量。
压电式力传感器的工作原理可以简单描述为：当外力施加到压电传感元件上时，压电材料产生形变，使得内部电荷分布发生变化。
这些变化被转换成电信号，经过信号处理电路放大和滤波后，最终得到与施加在传感元件上的外力成正比的电信号输出。
压电式力传感器具有灵敏度高、响应快、频率范围宽以及耐高温等特点。
它在工业自动化、医疗设备、机器人、汽车、航空航天等领域广泛应用。
通过测量压电材料变化产生的电信号，我们可以准确地获取被测物体施加在传感器上的力的大小。
2019年32期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application压电式加速度传感器电路原理宁心怡（清华大学，北京100084）本文主要讨论小型设备里的压电加速度计，即振动传感器，从它的原理、供电、放大电路、电压模拟量测量等方面分析其工作原理。
一般的压电振动传感器需要恒流源供电，将加速度转化成电荷变化量，进而转化成电压模拟量再输出，输出后信号需要经过一系列归一化、滤波等处理，最后转化成数字量。
1工作原理压电式加速度传感器属于惯性式传感器，结构如图1所示。
它利用了石英晶体或者压电陶瓷的压电效应，即当传感器有加速度时，内部的质量块会产生力作用于压电片，压电片受力变形时就会在两个表面产生不同极性的电荷。
因此传感器最开始输出的是微弱的电荷，其电荷量与加速度成正比。
在处理传感器的输出信号时，可以把传感器等效为电压源或电荷源。
图1[3]压电式加速度传感器结构2前置放大器压电加速度传感器可以将加速度转换成电压或电荷的变化量。
由于传感器产生的电荷信号较小，容易受到噪声干扰，需要前置放大器进行放大处理。
前置放大器还可以将传感器的高阻抗电荷信号变成低阻抗电压信号。
低输出阻抗使得信号在传输过程中损失很小，测量出来更准确，而且容易被下一级电路接收。
前置放大器有电压放大器与电荷放大器两种。
2.1电压放大器电压放大器电路如图2。
图2[1]压电传感器配电压放大器的等效电路在运放左边的为压电加速度传感器的电压等效电路。
其中R d 是压电元件的漏电阻，C c 是电缆电容，R i 、C i 是输入电阻与电容，U 为输入电压，即压电传感器产生的电压，U o 为输出电压，A u 是放大器的放大倍数。
推导可知电压放大器的输出电压其中R=R i //R d ，C=C c +C i 。
当R 无限大时，ωR （C e +C c +C i ）>>1，则输出电压简化为U o =A u UC eC e +C c +C i摘要：加速度传感器应用十分广泛。
主要应用有故障诊断、振动测试等，包括地震波检测、车祸报警、高压导线舞动、结构动力学研究以及各种设备的振动检测。
生活中也处处可见振动传感器。
手机计步器、玩游戏控制上下左右倾角变化、照相机手抖时自动锁住快门等等，都用到了加速度传感器。
关键词：压电式加速度传感器；电路原理；振动测试中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:2095-2945(2019)32-0042-05Abstract :Accelerometer is widely used.The main applications are fault diagnosis,vibration testing,including seismic wave de ⁃tection,accident alarm,high voltage wire galloping,structural dynamics research and vibration detection of all kinds of equipment.Vibration sensors can also be seen everywhere in life.The acceleration sensor is used in the mobile pedometer,playing games to control the change of inclination angle up and down,automatically locking the shutter when the camera hand shakes,and so on.Keywords :piezoelectric accelerometer;circuit principle;vibrationtesting2019年32期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application可知电压放大器输出电压与传感器产生的电压U 、电缆电容C c 、输入电容C i 、C e 有关。
因此电缆长度一般为固定值，否则电缆电容增加会使输出电压降低，增加误差，影响电压灵敏度。
2.2电荷放大器电荷放大器电路如图3。
图3[1]压电传感器配电荷放大器的等效电路在运放左边的为压电加速度传感器的电荷等效电路。
由于电荷放大器用电容作为负反馈，当A>>1且（1+A ）C f >>（C e +C c +C i ）时，电荷放大器的输出电压U o =-q C f，只与传感器输出电荷q 与电容C f 有关，与电缆电容C c 、输入电容C i 、C e 、信号频率都无关。
两种前置放大器都是高输入阻抗放大器，目的是尽量减少导线与电路的电荷泄漏。
相比起来，电荷放大器的电路较复杂，价格也贵，但它的灵敏度不受电缆电容的影响，在电缆电容较大时测量的信号质量好。
图4为某一种电荷放大器的实际电路。
其中除了主要的电容C2外，剩下的电阻和电容都起到保护或相位补偿防止自激振荡的作用。
其中两个三极管构成OCL 电路，可以增大输出电流，减小交越失真。
图4[4]电荷转换级部分电路图3传感器的供电问题以8711-01加速度传感器为例，它是一款IEPE 加速度传感器，集成了前置放大器，具有测量范围广、频率响应范围大、灵敏度高的特点，可用于工业状况监控与极端环境中。
为了减小电压信号传输时的损失，抑制温度漂移，传感器需要恒定电流源供电，一般为4mA ，其电压在18~24V之内。
4mA 有利于实现加速度计的工作状态辨别。
首先需要18~24V 的电压，如果传感器应用于小型设备时，可能没有如此高的电压，这时需要把5V 的干电池转化为18~24V ，可以采用变压器或升压型稳压电路。
课件里列举了并联开关型稳压电路和电荷泵式开关型稳压电路，应该都可以实现。
图5是其中一种集成升压电路。
图5XL6007常用电路（来源datasheet ）其中用到XL6007芯片，该电路可以将电压转化为18.5~32V 的电压，通过修改R1、R2参数即可将5V 转化成18~24V 。
它是通过电感L 的储能作用与电容C out 的充放电，将感生电动势与输入电压叠加得到输出电压，故而V out >V in 。
若取24V 的输出电压，接着将24V 电压转化为4mA的恒流源，电路如图6。
图6恒流源（来源Circuit Schematic for IEPE Sensors ）此处两个三极管处于放大状态。
设R 1=170赘，U BE1=0.7V ，R 1电流为I ，则输出电流近似等于I ，I=U BE1R 1=0.7170=4.12mA ，符合要求。
总体电路如图7。
在最开始输入的5V 前面加一个1N4002的二极管，用于隔离24V ，防止电流倒灌烧前级。
R3用1W 电阻，额定电流在30mA 左右，过载能力强，当电流约为4mA 时它不会发热。
4输出信号的处理与测量振动传感器输出直流量为12V ，交流量为-5~5V 。
供电方式为两线制，即提供电能的4mA 直流电和输出信号使2019年32期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application用同一根线，这样使得温度漂移特性较小，焊接时也更容易，成本更低。
通过加入电容C3去除直流量，得到交流量。
此时输出的交流量与加速度成正比关系，即U o =A*Sensi -tivity ，A 为加速度，Sensitivity 为灵敏度，指输出电荷/电压与加速度之比，一般通过与标准加速度计对比测试，来标定出具体的值。
灵敏度的大小与传感器内部质量块、压电元件有关。
归一化放大级：由U o =A*Sensitivity 可知，不同传感器灵敏度不同，在同样加速度下输出的电压就不同，为了方便处理数据，可进行归一化处理，并且放大电压。
采用一般的比例放大器即可。
滤波器：由传感器直接输出的信号会有较大噪声，需要滤波器滤波。
通过查阅文献，可知压电振动传感器是欠阻尼的振动系统，它的高频段会产生共振峰，因此需要低通滤波器滤除。
另外输出信号会有一些直流漂移信号，还需高通滤波器滤除。
此外，应用场合不同，高频或低频噪声也不同，因此高通低通滤波器都需要。
滤波器电路的设计多种多样，一般一阶或二阶即可，较为简单，采用课本上最常规的设计，这里就不详细说明了。
输出级：如果要测量出输出信号相应的数值，需要接入合适倍数的放大级或互补功率放大电路，使输出信号能够驱动AD 芯片、示波器或电压表。
其中AD 芯片能将模拟量转化成数字量，应用最为广泛。
放大级可采用同相比例放大器，它的输入电阻高、输出电阻低，适合驱动负载，功率放大电路采用常用的OCL 、OTL 等均可。
其他电路：此外，还需要稳压电路给电路提供直流电压，保护电路防止电路过载。
稳压电路可采用三端稳压器，输出5V 或±15V 的电压驱动运放。
图8是整个电路的原理框图，由外部驱动电路驱动传感器，并通过稳压电路转化成不同电压驱动各级电路，各级电路处理输出信号，最后通过模数转换得到理想的加速度值。
5实验测试本研究使用的是一款IEPE 加速度传感器，由于大部分电路都集成在传感器内部，只需要提供驱动电压与电流，也就是4mA 的恒流源与18~24V 的电压即可。
实验室的直流电源直接可以输出24V ，因此不需要搭升压电路，直接搭恒流源电路，极其简单，只需两个三极管、两个电阻、一个电容。
仿真电路如图9，其中将传感器的输入电阻等效为R3，结果约4mA ，与理论值相符。
图9恒流源电路的仿真实验中笔者成功搭出了该恒流源，并驱动了振动传感器工作。
测得输出电压直流量为12.06V ，符合上面的理论。
虽说驱动电压在18~24V 之间，但笔者发现13V 的电压也能驱动它，说明它对电压的要求并不严格，在低于标准的电压下也能工作，可能只是输出效果没有那么好。
由于没有稳定的振动源，只能通过用手晃动与敲桌子来模拟振动，图10为敲桌面的波形。
后来笔者在实验室找到了小电机，并成功驱动了它。
图7总体电路图8原理框图由于传感器与电机不能紧密吻合，笔者只能强行用手把小电机抵着传感器。
但这毕竟比直接晃动与敲桌子稳定多了，在某些时刻甚至出现了十分稳定的波形，如图11。
笔者想把传感器输出的电压模拟量转化成数字量，可以通过AD 芯片，也可以参考模电综合实验，先将输出-5~5V 交流电压进行全波整流，再滤波成直流电压，通过电压-频率转换电路转化为矩形波，通过FPGA 板测量矩形波的频率，可得到一个数值。
然而如果要得到一个精确的加速度值，需要有一个已知加速度的稳定的振动源，或者是一个标准加速度传感器进行对比测试，调整数值大小，标定出灵敏度，而笔者这两个条件都不具备，因此模拟量转数字量只能处于理论阶段，而实现不了。
