压电式传感器及其应用.doc

压电式加速度传感器及其应用一、 压电式加速度传感器原理压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块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。 加速度传感器是一种惯性传感器,它能感受加速度并转换成可用输出信号，被广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。实际电路图如下：二、压电式加速度传感器构成元件常用的压电式加速度计的结构形式如图所示，是由预压弹簧，质量块，基座，压电元件和外壳组成。图中为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。三、压电式加速度传感器的实际应用 加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检测感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检测、振动检测和自由落下检测。 (1) 倾斜度检测 加速度传感器水平放置时，在重力作用下经激励有一定幅度的输出，当与重力方向有倾角时，传感器信号输出幅度会有所变化，对两种状态下信号输出进行比较计算可推算出倾斜角的大小，应用双轴、三轴加速度传感器就可测出任意倾斜角的大小和方向。利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功能，加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗盘、图像旋转、文本滚动浏览用户界面、LCD投影和物理治疗法等方面。 飞思卡尔半导体公司推出的MMA7260Q三轴加速度传感器是用于倾角测量的典型应用之一，它以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态。把加速度传感器固定于物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的变化来反映物体姿态的变化。 (二) 运动检测 在进行运动检测时，需要考虑几个因素：如何计算它的位移，g值的范围选择及使用量测轴。首先应确定位移：计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则需进行一次积分。利用这种运动检测感应功能，加速度传感器可应用于运动控制、计步器和基本运动检测等。国外应用加速度传感器进行人体运动检测方面的研究比较广泛，特别是医学临床辅助诊断、体育运动训练、人体运动仿真等方面已取得大量研究成果。而国内相对来说研究较少。 加速度传感器能获取人体运动时加速度的频率和幅度，且其安装简便、体积小，能满足人体运动评估检测的要求。CarhjnVCBouten等人采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系。此三轴加速度传感器是由3个单维压阻式加速度传感器正交地安装在一个很轻的立方体盒中组成，并由弹性绷带系与人体腰背部，实现对人体在坐、行走等日常活动运动中加速度的测量，并获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。运用加速度传感器测量步行运动最为经典的研究是Freedson等人采用Actigraph单轴加速度测量了三种速度下的步行(48、64、97kmh，分别代表正常步速行走、快走和慢跑)。 （3） 定位检测 利用定位检测感应功能，加速度传感器可应用于汽车导航、防盗设备和地图跟踪等。定位的精确程度是衡量系统陛能优劣的重要指标，因为导航系统等功能就是帮助用户确定位置并提供正确的操作指示。目前，常用的定位手段有惯性导航定位、GPS卫星定位和组合导航定位等。 在车载导航系统中，加速度传感器完成车辆瞬时加速度的数据采集任务，然后根据推算定位法计算出当前位置相对于已知参考位置之间的偏移，从而得到车辆的绝对位置。在短时间内，利用这种方法得到的定位精度很高，在平均加速度284的情况下，l0秒钟内得到的定位误差大约是0.5m。AD公司出品的一款双轴加速度测量系统ADXL202的定位方法是惯性导航定位的一种，虽然按照上述方法在短时间内精度很高，但随着时间增加，误差积累效应越来越大，会严重影响导航精度。因此，通常用加速度传感器和GX5一起组合成为组合导航系统，以此提高定位精度，增强系统性能。 GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位。在一些特殊的场合和地貌，比如遂道、高楼林立区和从林地带，GPS信号会变差或完全失去，这种区域叫做死角。而通过安装加速度传感器和惯性导航，就可以进行系统死区的测量。对加速度传感器进行一次积分，就变成单位时间内的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。 (4) 震动检测 通常，震动检测所需的加速度传感器的规则选取是按照被测量对象的减速度决定的，而且算法将随每种设计的不同而变化。利用震动检测感应功能，加速度传感器可应用于下降记录、黑匣子故障记录仪、硬盘驱动器保护、运输和处理监视器。在马达控制器应用中，通过加速传感器可以将震动量变化为数据，借此数据可判断出震动量的大小，可用作预防性维修和检测电机故障等，能够节省成本。利用振动检测感应功能，加速度传感器可在地震活动监视、智能电机维护、家电平衡和监测等方面有广泛应用。地震加速度传感器是地震资料野外采集的最前端，是能否获取高信噪比、高分辨率、高保真度的原始地震资料的关键。近年来，美国IO(InputOutput)公司已成功开发出以MEMS加速度传感器为基础的新型地震检波器，使地震勘探仪器的性能指标有了 大幅度的提高。同时法国的Sercel公司也在进行以MEMS为核心技术的加速度传感器的研制，用于石油勘探。国内的威海双丰电子集团有限公司、中科院上海微系统所与中石化南京物探研究所共同承担了国家“八六三”计划，进行研究MEMS加速度传感器在石油勘探领域中的应用。 （5） 自由落下检测 利用自由落下检测感应功能，加速度传感器可应用于自由落体保护、下降记录和检测、运动控制和认知等。在硬盘驱动器保护应用中，自由落下检测是最近出现在消费性电子产品