- 加速度傳感器工作原理及應用分析
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2012/5/10
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。加速度計有兩種：一種是角加速度計，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進的。另一種就是線加速度計。
一般用在哪里
通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發(fā)現(xiàn)光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經想出了很多方法獲得更多的有用的信息。
加速度傳感器可以幫助你的機器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機的振動。
加速度傳感器可以測量牽引力產生的加速度。
目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據這些振動數據，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數據。另外一個用處就是目前用的數碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據這些振動，自動調節(jié)相機的聚焦。
概括起來，加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結構物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。
美國ICSensors加速度傳感器，3031,3022,3052,3035,1210,1220,1230,1240等。適用于地震監(jiān)測，低頻應用，測試儀器，機械控制等。 加速度選型及技術咨詢熱線：010-84775646,84775648.
加速度傳感器應用于，機械、道路橋梁振動測試，目前大多采用HK9101，Hk9102等可以檢測機械振動過程中的振動值，和海水，車輛對橋梁撞擊的加速度值。
工作原理
線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(慣性力)/M(質量) 我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應于電流的關系。只需要用實驗去標定這個比例系數就行了。當然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
多數加速度傳感器是根據壓電效應的原理來工作的。
所謂的壓電效應就是 "對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內部建立電場，這種由于機械力作用使介質發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應 "。
一般加速度傳感器就是利用了其內部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產生電壓，只要計算出產生電壓和所施加的加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出。當然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如壓阻技術，電容效應，熱氣泡效應，光效應，但是其最基本的原理都是由于加速度產生某個介質產生變形，通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出。每種技術都有各自的機會和問題。
壓阻式加速度傳感器由于在汽車工業(yè)中的廣泛應用而發(fā)展最快，加速度傳感器主要用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。由于安全性越來越成為汽車制造商的賣點，這種附加系統(tǒng)也越來越多。壓阻式加速度傳感器2000年的市場規(guī)模約為4.2億美元，根據有關調查，預計其市值將按年平均4.1%速度增長，至2007年達到5.6億美元。這其中，歐洲市場的速度最快，因為歐洲是許多安全氣囊和汽車生產企業(yè)的所在地。
壓電技術主要在工業(yè)上用來防止機器故障，使用這種傳感器可以檢測機器潛在的故障以達到自保護，及避免對工人產生意外傷害，這種傳感器具有用戶，尤其是質量行業(yè)的用戶所追求的可重復性、穩(wěn)定性和自生性。但是在許多新的應用領域，很多用戶尚無使用這類傳感器的意識，銷售商冒險進入這種尚待開發(fā)的市場會麻煩多多，因為終端用戶對由于使用這種傳感器而帶來的問題和解決方法都認識不多。如果這些問題能夠得到解決，將會促進壓電傳感器得到更快的發(fā)展。2002年壓電傳感器市值為3億美元，預計其年增長率將達到4.9%，到2007年達到4.2億美元。
電容傳感器有望有一個強勁的增長，2004年后增長將會更快，估計從1997年到2007年綜合年增長率為5.9%,其中最高可達33.2%，其市值2000年為0.75億美元，到2007年將達到1.1億美元。來自歐洲和北美洲的汽車業(yè)和工業(yè)用戶是這些產品的主要購買者。2000年的市場上北美占40.4%，歐洲占48.9%。汽車行業(yè)使用電容式傳感器主要用于安全系統(tǒng)、輪胎磨損監(jiān)測、慣性剎車燈、前燈水準測量、安全帶伸縮、自動門鎖和安全氣囊。對于設計人員來說，電容式傳感器是非常有吸引力的，因為它無需接觸待測物，所以不必擠進狹窄的空間中。
選購加速度傳感器
模擬輸出vs數字輸出：
這個是最先需要考慮的。這個取決于你系統(tǒng)中和加速度傳感器之間的接口。一般模擬輸出的電壓和加速度是成比例的，比如2.5V對應0g的加速度，2.6V對應于0.5g的加速度。數字輸出一般使用脈寬調制（PWM）信號。
如果你使用的微控制器只有數字輸入，比如BASIC Stamp，那你就只能選擇數字輸出的加速度傳感器了，但是問題是你必須占用額外的一個時鐘單元用來處理PWM信號，同時對處理器也是一個不小的負擔。
如果你使用的微控制器有模擬輸入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常簡單的使用模擬接口的加速度傳感器，所需要的就是在程序里加入一句類似"acceleration=read_adc()"的指令，而且處理此指令的速度只要幾微秒。
·測量軸數量：
對于多數項目來說，兩軸的加速度傳感器已經能滿足多數應用了。對于某些特殊的應用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會適合一點。
·最大測量值：
如果你只要測量機器人相對于地面的傾角，那一個±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測量機器人的動態(tài)性能，±2g也應該足夠了。要是你的機器人會有比如突然啟動或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個±5g的傳感器。
·靈敏度:
一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。
·帶寬:
這里的帶寬實際上指的是刷新率。也就是說每秒鐘，傳感器會產生多少次讀數。對于一般只要測量傾角的應用，50HZ的帶寬應該足夠了，但是對于需要進行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個具有上百HZ帶寬的傳感器。
·電阻/緩存機制:
對于有些微控制器來說，要進行A/D轉化，其連接的傳感器阻值必須小于10kΩ。比如加速度傳感器的阻值為32kΩ，在PIC和AVR控制板上無法正常工作，所以建議在購買傳感器前，仔細閱讀控制器手冊，確保傳感器能夠正常工作。
傳感器市場前景預測
咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。
一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預計會超過25%。
目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現(xiàn)有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴大。
最新發(fā)展
隨著智能手機等的普及，要求設備具備更高的功能和可設計性，在這種情況下，對組件的高度集成化和小型化的需求強勁。另外，高性能化導致電池的消耗增加，因此，對于搭載在設備上的各種元器件，要求具備更低的功耗。目前業(yè)界最小尺寸的加速度傳感器最高分辨率達到14bit，具有低功耗、 耐沖擊性高及可編程的待機喚醒功能，能夠進行傾斜檢測、運動檢測等；而另外一款高性能、低功耗、低成本、低噪音的加速度傳感器具有高穩(wěn)定性，最高分辨率達4bit的特點，可高精度傾斜檢測、運動檢測等，目前此兩種設備主要應用于智能手機、平板/筆記本電腦、數碼相機、游戲機及其他小型民生設備。
智能手機和游戲機等具有更多感官性運動的設備操作需求高漲，另外，出現(xiàn)了智能電視用的運動遙控等新需求。在這些運動檢測中，使用了歷來使用的加速度傳感器，還增加了陀螺儀，提高了操作感受。小型封裝陀螺儀采用FIFO緩沖區(qū)，可減少來自微控制器的訪問頻率，具備旋轉運動檢測功能。而隨著加速度傳感器、陀螺儀進一步普及，同時在小型設備中使用案例日益增加。單芯片化以及在1個系統(tǒng)的通信接口一起使用2個傳感器的需求不斷增加。小型封裝的3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀的復合傳感器的漸漸出現(xiàn)，不但具有以上小型封裝陀螺儀的各種特點和功能，同時還擁有業(yè)界領先的低耗電量，僅為4mA。他們多應用于智能手機、平板電腦、游戲機、遙控器、PND及其他小型民生設備。
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