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加速度传感器研究现状加速度传感器研究现状 摘要 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备 介绍了加速度 传感器的产生 加速度传感器的应用和原理和加速度传感器的未来发展趋势 随着传感器的发展加速度传感器加速度传感器未来发展态势喜人 加速度传感 器的应用也越来越普遍 生活中好多地方都应用到 本论文论述我加速度传感 器的各方面应用和未来发展态势 Acceleration sensor is capable of measuring acceleration of electronic devices Describes the generation of acceleration sensor and acceleration sensor and acceleration sensor applications and principles of the future development trends With the development of sensors accelerometer gratifying trend of future development acceleration sensor applications are increasingly common many places in life are applied to This paper discusses various aspects of my application acceleration sensor and the future development trend 关键字 加速度传感器 工作原理 应用 发展态势 传感器是一种能将物理量 化学量 生物量等转换成电信号的器件 输出 信号有不同形式 如电压 电流 频率 脉冲等 能满足信息传输 处理 记 录 显示 控制要求 是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件 如 果把计算机比作大脑 那么传感器则相当于五官 传感器能正确感受被测量并 转换成相应输出量 对系统的质量起决定性作用 自动化程度越高 系统对传 感器要求越高 在今天的信息时代里 信息产业包括信息采集 传输 处理三部分 即传 感技术 通信技术 计算机技术 现代的计算机技术和通信技术由于超大规模 集成电路的飞速发展 而已经充分发达后 不仅对传感器的精度 可靠性 响 应速度 获取的信息量要求越来越高 还要求其成本低廉且使用方便 显然传 统传感器因功能 特性 体积 成本等已难以满足而逐渐被淘汰 世界许多发 达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发 并且都已取得极大的突破 如 今传感器新技术的发展 主要有以下几个方面 1 发现并利用新现象利用物理现象 化学反应 生物效应作为传感器原理 所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作 是研究开发新型 传感器的基础 日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器 是 传感器技术的重大突破 其灵敏度高 仅次于超导量子干涉器件 它的制造工 艺远比超导量子干涉器件简单 可用于磁成像技术 有广泛推广价值 利用抗 体和抗原在电极表面上相遇复合时 会引起电极电位的变化 利用这一现象可 制出免疫传感器 用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗 原作检查 如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎 起到快速 准确作用 美国加州大学已研制出这类传感器 2 2 利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础 由于材料科学进步 人 们可制造出各种新型传感器 例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器 光导 纤维能制成压力 流量 温度 位移等多种传感器 用陶瓷制成压力传感器 高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子 高分 子电介常数小 水分子能提高聚合物的介电常数 将高分子电介质做成电容器 测定电容容量的变化 即可得出相对湿度 利用这个原理制成等离子聚合法聚 苯乙烯薄膜温度传感器 其有以下特点 测湿范围宽 温度范围宽 可达 40 1500 响应速度快 小于 1S 尺寸小 可用于小空间测湿 温度系 数小 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器 采用先进的 陶瓷技术 厚膜电子技术 其技术性能稳定 年漂移量小于 0 1 F S 温漂小于 0 15 10K 抗过载强 可达量程的数百倍 测量范围可从 0 到 60mpa 德国 E H 公司和美国 Kavlio 公司产品处于领先地位 光导纤维的应用是传感材料 的重大突破 其最早用于光通信技术 在光通信利用中发现当温度 压力 电 场 磁场等环境条件变化时 引起光纤传输的光波强度 相位 频率 偏振态 等变化 测量光波量的变化 就可知道导致这些光波量变化的温度 压力 电 场 磁场等物理量的大小 利用这些原理可研制出光导纤维传感器 光纤传感 器与传统传感器相比有许多特点 灵敏度高 结构简单 体积小 耐腐蚀 电 绝缘性好 光路可弯曲 便于实现遥测等 光纤传感器日本处于先进水平 如 IdecIzumi 公司和 Sunx 公司 光纤传感受器与集成光路技术相结合 加速光 纤传感器技术的发展 将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件 使光 纤传感器有高的带宽 低的信号处理电压 可靠性高 成本低 3 3 微机械加工技术半导体技术中的加工方法有氧化 光刻 扩散 沉积 平面电子工艺 各向导性腐蚀及蒸镀 溅射薄膜等 这些都已引进到传感器制 造 因而产生了各种新型传感器 如利用半导体技术制造出硅微传感器 利用 薄膜工艺制造出快速响应的气敏 湿敏传感器 利用溅射薄膜工艺制压力传感 器等 日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工 制成全硅谐 振式压力传感器 核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成 两个谐振梁的频差对应不同的压力 用频率差的方法测压力 可消除环境温度 等因素带来的误差 当环境温度变化时 两个谐振梁频率和幅度变化相同 将 两个频率差后 其相同变化量就能够相互抵消 其测量最高精度可达 0 01 FS 美国 SiliconMicrostructureInc SMI 公司开发一系列低价位 线性 度在 0 1 到 0 65 范围内的硅微压力传感器 最低满量程为 0 15psi 1KPa 其 以硅为料制成 具有独特的三维结构 轻细微机械加工 和多次蚀刻制成惠斯登电 桥于硅膜片上 当硅片上方受力时 其产生变形 电阻产生压阻效应而失去电桥平 衡 输出与压力成比例的电信号 象这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿 技术 其基本特点是敏感元件体积为微米量级 是传统传感器的几十 几百分之 一 在工业控制 航空航天领域 生物医学等方面有重要的作用 如飞机上利 用可减轻飞机重量 减少能源 另一特点是能敏感微小被测量 可制成血压压 力传感器 中国航空总公司北京测控技术研究所 研制的 CYJ 系列溅谢膜压力 传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计 它克服了非金属式应变计易受 温度影响的不足 具有高稳定性 适用于各种场合 被测介质范围宽 还克服 了传统粘贴式带来的精度低 迟滞大 蠕变等缺点 具有精度高 可靠性高 体积小的特点 广泛用于航空 石油 化工 医疗等领域 4 4 集成传感器集成传感器的优势是传统传感器无法达到的 它不仅仅是一 个简单的传感器 其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上 使之具有校准 补偿 自诊断和网络通信的功能 它可降低成本 增加产量 美国 LUCAS NOVASENSOR 公司开发的这种血压传感器 每星期能生产 1 万只 5 5 智能化传感器智能化传感器是一种带微处理器的传感器 是微型计算机 和传感器相结合的成果 它兼有检测 判断和信息处理功能 与传统传感器相 比有很多特点 具有判断和信息处理功能 能对测量值进行修正 误差补偿 因而提高测量精度 可实现多传感器多参数测量 有自诊断和自校准功能 提 高可靠性 测量数据可存取 使用方便 有数据通信接口 能与微型计算机直 接通信 把传感器 信号调节电路 单片机集成在一芯片上形成超大规模集成 化的高级智能传感器 美国 HONYWELL 公司 ST 3000 型智能传感器 芯片尺寸 才有 3 4 2mm3 采用半导体工艺 在同一芯片上制成 CPU EPROM 静压 压 差 温度等三种敏感元件 智能化传感器的研究与开发 美国处于领先地位 美国宇航局在开发宇宙飞船时称这种传感器为灵巧传感器 SmartSensor 在 宇宙飞船上这种传感器是非常重要的 我国在这方面的研究与开发还很落后 主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有限 传感器的发展日新月异 特别 是 80 年代人类由高度工业化进入信息时代以来 传感器技术向更新 更高的 技术发展 美国 日本等发达国家的传感器技术发展最快 我国由于基础薄弱 传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距 因此 我们应该加大对传感器 技术研究 开发的投入 使我国传感器技术与外国差距缩短 促进我国仪器仪 表工业和自化化技术的发展 加速度传感器原理加速度传感器原理 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 加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器 1 2 被广泛 应用于医疗 体育 制造业 军事 航空航天 3 4 包括无陀螺稳定控制 5 捷联惯性导航系统的非自主式惯性导航系统 航向指示系统 6 目 标姿态基准系统 重力测量系统等 等领域 加速度传感器主要分为压阻式 电容式 应变式 液浮摆式 挠性摆式 振弦式 压电式等类型 7 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 M 至几百 M 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校 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 不能在整个间隙 范围内变化 而是限制在一个较小的范围内 以使与 C 的关 系近似于线性 它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小 所以要 提高灵敏度 S 应减少起始间隙 但这受电容器击穿电压的限制 而且增加装配加 工的困难 由式 2 5 可以看出 非线性将随相对位移增加面增加 因此 为了保证一定的线性 应限制极板的相对位移量 若增大起始间隙 又影响传 感器的灵敏度 因此在实际应用中 为了提高灵敏度 减小非线性 大都采用 差动式结构 在差动式电容传感器中 其中一个电容器 C1 的电容随位移增加时 另一个电容器 C2 的电容则减少 它们的特性方程分别为 可见 电容式传感 器做成差动式之后 非线性大大降低了 灵敏度提高一倍 与此同时 差动电 容传感器还能减小静电引力测量带来的影响 并有效地改善由于温度等环境影 响所造成的误差 3 电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构 3 1 工作原理 如图 1 所示 差容式力平衡加速度传感器原理框图 电路中除了所必须的电容 电阻 外 主要由正负电压调节器 四运放放大器 LT1058 双运放 op270 放大器组成 3 2 差容式力平衡传感器机械结构原理 由于差动式电容 在变间隙应用中的 灵敏度和线性度得到很大改善 所以得到广泛应用 如图 2 所示为一种差容式 力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图 主要由上 下磁钢 电磁铁 磁感 应线圈 弹簧片 作电容中间极的质量块 覆铜的上下极板等部分组成 传感 器上 下磁钢通过螺钉及弹簧相连 作为传感器的固定部分 上 下极板分别 固定在上 下磁钢上 极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块 并在此质量块 上 下两侧面沉积有金属 铜 电极 形成电容的活动极板 这样 上顶板与 质量块的上侧面形成电容 C1 下底板与质量块下侧面形成电容 C2 弹簧片一端 与磁钢相连 另一端与电容中间极相连 以控制其在一个有效的范围内振动 由相应芯片输出的方波信号 经过零比较后输出方波 此方波经电容滤除其中 的直流电压 形成对称的方波 该对称的方波加到电容的一个极板上 同时经 一次反向后的对称波形加到另一个极板上 当没有加速度信号时 中间极板处 于上 下极板的中间位置 C1 C2 C 0 后续电路没有输出 当有加速度信号 时 中间极板 质量块 将偏离中间位置 产生微小位移 传感器的固定部分 也将有微小的位移 设加速度为正时 质量块与上顶板距离减小 与下底板距 离增大 于是 C1 C2 因此会产生一个电容的变化量 C C 由放大电路部分 放大 同时 将放大电路的输出电流引入到反馈网络 由于 OP270 的脚 1 和 16 分别与线圈两端相连 当有电流流过线圈时 将产生感应磁场 就会有电磁力 产生 因为上 下磁钢之间有弹簧 所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有 加速度时的位置 即此时的电容变化完全有加速度的变化引起 同时由于线圈 与活动极板通过中心轴线相连 所以在电磁力的作用下 使中间极向产生加速 度时的位移的相反的方向运动 即相当于在 C 的放大 4 压阻式加速度传感器又称为压阻微硅机电技术加速度传感器 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 加速度传感器的应用 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 加速度传感器可以测量牵引力产生的加速度 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 加速度传感器未来发展态势喜人加速度传感器未来发展态势喜人 全球传感器市场正呈现出快速增长态势 资讯公司 INTECHNOCONSULTING 的 市场报告显示 2008 年全球传感器市场容量为 506 亿美元 预计 2010 年全球 传感器市场可达 600 亿美元以上 加速度 振动 速度传感器是汽车运动测量中的三种主要传感器 一直保 持稳定而强劲的增长势头 其中加速度传感器的市场增速尤为明显 汽车电子的发展 没有传感器技术就没有现代汽车 已成为业内共识 这 意味着汽车电子化越发达 自动化程度越高 对传感器依赖性就越大 对此 业内专家认为 未来新型汽车应用系统将催生新的汽车传感器与之配套 传感 器的最大特点是不断引入新技术发展新功能 未来汽车传感器技术总发展趋势 是微型化 多功能化和智能化 车用传感器大致分为 3 类 动力系统 安全管 理系统和车身舒适系统传感器 其中动力系统传感器市场所占比例最大 体现 了汽车传感器的最先进技术 例如 油门踏板位置传感器的角度误差必须在 0 4 以内 节气门位置传感器需要极高的可靠性 并要能够在 50 度到 150 度 工作 在动力系统中 有源传感器引领发展趋势 凸轮和曲轴传感器因为与汽车 的 心脏 发动机密切相关 成为动力系统的关键 而有源的凸轮传感器和曲 轴传感器能够为动力系统提供更多的保护 因此将引领未来发展趋势 预计在 2009 年 将有 5820 万个有源曲轴传感器投入使用 而无源传感器则将减少到 2150 万个 在安全管理系统中