传感器(作业)

1、制作团队：杨帆制作团队：杨帆 杨丹杨丹 王娇王娇 指导教师：张玉燕指导教师：张玉燕 目录目录 加速度测量的必要性分析加速度测量的必要性分析 加速度传感器的定义加速度传感器的定义 加速度传感器的分类加速度传感器的分类 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 传感器适用范围传感器适用范围 应用实例应用实例 发展趋势发展趋势 加速度测量的必要性加速度测量的必要性 准确测量地球各点的绝对重力加速度值，对国防建设、经济建设和准确测量地球各点的绝对重力加速度值，对国防建设、经济建设和 科学研究科学研究 有着十分重要的意义。有着十分重要的意义。 比如，远程洲际弹道导弹、人造地球卫星、宇宙飞船等都在地球重比如，

2、远程洲际弹道导弹、人造地球卫星、宇宙飞船等都在地球重 力场中运动。在设计太空飞行器时，也要首先知道准确的重力场数力场中运动。在设计太空飞行器时，也要首先知道准确的重力场数 据。为提高导弹射击准确度，必须准确测量导弹发射点和目标的位据。为提高导弹射击准确度，必须准确测量导弹发射点和目标的位 置，同时也必须准确掌握地球形状和重力资料。据有关资料表明，置，同时也必须准确掌握地球形状和重力资料。据有关资料表明， 1万公里射程洲际导弹在发射点若有万公里射程洲际导弹在发射点若有 的重力加速的重力加速 度误差，则将造成度误差，则将造成50米的射程误差；发射卫星最后一级火箭速度若米的射程误差；发射卫星最后一级

3、火箭速度若 有千分之二的相对误差，卫星就会偏离预定轨道近百公里，甚至导有千分之二的相对误差，卫星就会偏离预定轨道近百公里，甚至导 致发射失败。在地震预报中，如果地壳上升或下降致发射失败。在地震预报中，如果地壳上升或下降10毫米，将引起毫米，将引起 的重力加速度变化。的重力加速度变化。 毫伽）（秒米2 . 02/6102 微伽）（秒米32/8103 定义：能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器。 应用学科：机械工程（一级学科）；传感器（二级学科）； 物理量传感器（三级 学科）。 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

4、力。加 速力可以是个常量。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）改进的。另一种就是线加速度计。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 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。 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 基于世界领先的MEMS硅微加工技术， 压阻式加速度传感器具有体积小、低功 耗等特点，易于集成在各种模拟和数字 电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测 试仪器、设备振动监测等

5、领域。 压阻式加速度传感器的应用可以分为系 统反馈和导航仪器两种。前者是用于控 制系统作为加速度信号反馈之用，后者 是检测导航仪器的加速度。 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化 型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一 变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力（气压、 液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。 这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度 （或加速度），还可以进一步测出压力。 MS9010电容式传感器电容式传感器 Colibrys的MS9000惯性加速度传感器是一种新的 超小型产品，适用于恶劣的使用环境和耐用度要 求极高的应用领域。这种

6、换代产品采用了 LCC20(8.9mm x 8.9mm)陶瓷封装，具有从2g 到250g广泛的加速度测量范围。该传感器可在 较大的温度范围应用并且全使用寿命器件零位稳 定保证在几mg以内。 Colibrys MS9000系列是一个电容式MEMS加速 度计，它是由一个立体微加工工艺支撑的硅元件， 一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个存储补偿 值的微控制器以及一个温度传感器等元件组成。 该产品是一个低功耗的、校准的、功能强大和性 能稳定的产品，其电子配置中带有一个电源重置 以防止电压不稳的全保护装置。 伺服式加速度传感器伺服式加速度传感器 伺服式加速度传感器是一种闭环测试 系统，具有动态性 能好

7、、动态范围大 和线性度好等特点。其工作原理，传 感器的振动系统由 m-k”系统组成，与 一般加速度计相同，但质量m上还接着 一个电磁线圈，当基座上有 加速度输 入时，质量块偏离平衡位置，该位移 大小由位移传感器检测出来，经伺服 放大器 放大后转换为电流输出，该电 流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场 中产生电磁恢复力，力图使质量块保 持在仪表壳体中原来的平衡位置上， 所以伺服加速度传感器在闭环状态下 工作。由于有反馈作用，增强了抗干 扰的能力，提高测量精度，扩大了测 量范围，伺服加速度 测量技术广泛地 应用于惯性导航和惯性制导系统中， 在高精度的振动测量和标定中也有应 用。 电容式加速度传感器电容

8、式加速度传感器 传感器的结构简图传感器的结构简图 电容式加速度传感器的原理结构如图：电容式加速度传感器的原理结构如图： 由图可见，它实际上是变介子电容式位移由图可见，它实际上是变介子电容式位移 传感器，配接传感器，配接“m-k-c”系统构成的。质量系统构成的。质量 块由块由1根弹簧放置于壳体内，质量块的左根弹簧放置于壳体内，质量块的左 边连接介子，通过质量块的动作带动介子边连接介子，通过质量块的动作带动介子 的运动，从而改变了介电常数。的运动，从而改变了介电常数。 传感器的等效原理图传感器的等效原理图 电容式加速度传感器的等效原理图电容式加速度传感器的等效原理图 如图所示。图中，右侧标尺表示与

9、大地如图所示。图中，右侧标尺表示与大地 保持相对静止的运动参考点，称为静基保持相对静止的运动参考点，称为静基 准，准，x表示被测物体及传感器底座相对表示被测物体及传感器底座相对 于该参考点的位移，称为绝对位移，于该参考点的位移，称为绝对位移，y 表示质量块表示质量块m相对于传感器底座的位移，相对于传感器底座的位移， 称为相对位移。称为相对位移。x和和y之间关系可用典型之间关系可用典型 二阶比常系数微分方程描述：二阶比常系数微分方程描述： 式中： 为自振角频率， ；为阻尼系数， ；C为空气 阻尼。 而位移x，速度v，加速度a三者之间关系为： 0 m k 0 mk C 2 代入式（1）得： （2）

10、 经拉式变换得“mkc”系统的传递函数： my ma 令 ，可求得质量块相对运动的位移振幅 与被测物体绝对运动的加速 度振幅 的关系为： 式（4）具有低通滤波特性。 由此可见，当 时：0 传感器壳体的位移y与电容的关系为： 式中k为一个传递系数。 电容式传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示： 如图8所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为： 对变极距型电容传感器，代入上式得 差动电容计算及特性分析差动电容计算及特性分析 对于气隙型电容传感器，其电容值为对于气隙型电容传感器，其电容值为 ，电容式加速的电容，电容式加速的电容 变化量为：变化量为： 令：令： ，则：，则： 令

11、：令： ，则：，则： 则特性曲线为下图：则特性曲线为下图： dSC/ 0 xXCC0 0C C y xy 特性曲线 00/CC 电容传感器的容抗很高，特别是电 源频率较低时，容抗更高。如果两极板 之间的漏电组与此容抗相接近时，就必 须考虑分路作用对系统灵敏度的影响。 它将使传感器的灵敏度下降。因此应选 用绝缘性能很好的陶瓷、石英、聚四氟 乙烯等材料作为两极板之间的支架，可 大大提高两极板之间的漏电组。当然， 适当的提高激励电源的频率也可以降低 对材料绝缘性能的要求。 电容式加速度传感器的技术要求电容式加速度传感器的技术要求 壳体固定要求壳体固定要求 整个壳体需要固定在被测运动物体之上，壳体与被

12、测物体不能整个壳体需要固定在被测运动物体之上，壳体与被测物体不能 有相对运动，或者说不能有相对加速度。有相对运动，或者说不能有相对加速度。 如果壳体与被测运动物体没有结合在一起，之间有相对加速度，如果壳体与被测运动物体没有结合在一起，之间有相对加速度， 则测量出来的加速的包含了一个与这个相对加速度方向相反的加速则测量出来的加速的包含了一个与这个相对加速度方向相反的加速 度，导致误差。度，导致误差。 措施：把壳体用螺钉栓在被测体之上。措施：把壳体用螺钉栓在被测体之上。 滑块与壳体接触面的光滑度要求滑块与壳体接触面的光滑度要求 本加速度传感器主要是利用滑块的惯性运动，经传感显示出加速本加速度传感器

13、主要是利用滑块的惯性运动，经传感显示出加速 度。度。 如果滑块与壳体接触面光滑度不够，则必然不能很好的显示出加速度如果滑块与壳体接触面光滑度不够，则必然不能很好的显示出加速度 的变化情况。的变化情况。 减少误差的措施：减少误差的措施： （1）接触面尽量光滑。从硬件上加大加工减少摩擦，使这个影）接触面尽量光滑。从硬件上加大加工减少摩擦，使这个影 响变小。响变小。 （2）加强表面加工；加注润滑油。）加强表面加工；加注润滑油。 测控电路的要求测控电路的要求 测控电路的作用是将信号放大，并转换成所需要的信号类型。测控电路的作用是将信号放大，并转换成所需要的信号类型。 这里，测控电路需要把信号放大，且把

14、模拟信号要转变成数字信号，这里，测控电路需要把信号放大，且把模拟信号要转变成数字信号， 利用单片机显示在频幕上。利用单片机显示在频幕上。 然而信号是极其微弱的，电路之中一个器件发出的噪声也许能然而信号是极其微弱的，电路之中一个器件发出的噪声也许能 比这个信号要大。所以测控电路一定要滤除干扰信号。所以，在测比这个信号要大。所以测控电路一定要滤除干扰信号。所以，在测 控电路之上一定要加屏蔽措施。控电路之上一定要加屏蔽措施。 措施：外加屏蔽罩；内加屏蔽电路。措施：外加屏蔽罩；内加屏蔽电路。 单片机程序要求单片机程序要求 经过传感器的信号最后经过经过传感器的信号最后经过A/D转换由单片转换由单片 机显

15、示出来。但是系统存在很多影响因素，这机显示出来。但是系统存在很多影响因素，这 些因素导致测量误差。对于误差的处理我们一些因素导致测量误差。对于误差的处理我们一 般选用误差补偿，把损失的量值加在结果之中。般选用误差补偿，把损失的量值加在结果之中。 所以在单片机的显示程序之中，应该由测量数所以在单片机的显示程序之中，应该由测量数 据和这个误差值所组成。据和这个误差值所组成。 传感器适用范围传感器适用范围 1、影响适用范围的因素 除了之上所述，摩擦影响测量精度。还有就是地球万有引力作 用，如果被测物体不是在水平线上运动，而是斜向上，或者斜向下。 这时候，即使物体是停放在一个斜坡之上，按传感器的设计，

16、这里 也会有加速度显示。显然这是不行的。所以单单这个传感器，只能 适用于水平直线运动。显然，这个适用范围很窄。 2、加设重力加速度传感器 由于重力的影响，使传感器只能适用于水平的运动中。但是如 果加设一个重力在运动线上分量测量的传感器，然后用之前传感器 的测量减去这个分量的线性叠加。这样就可以避开重力的影响。 特殊情况，如果运动在垂直线上，测量结果减去一个重力加速 度就可以了。 应用实例应用实例 在现代生产生活中被应用于许许多多的方法，如手提电脑的硬盘抗在现代生产生活中被应用于许许多多的方法，如手提电脑的硬盘抗 衰保护，目前用的数码相机和摄像机里，也用来检测拍摄时候的手衰保护，目前用的数码相机

17、和摄像机里，也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。压电加速度传部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。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。能方面。 磁悬浮列车 摆式列车转向架 加速度测量的发展趋势加速度测量的发展趋势 随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越 来越广泛地应用于生产生活的各个技术领域。可以说，测试技术与来越广泛地应用于生产生活的各个技术领域。可以说，测试技术与 自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要 标志，是现代信息技术的重要支柱技术之一。目前，越来越多的新标志，是现代信息技术的重要支柱技术之一。目前，越来越多的新 型传感器出现在我们的生活中，传感器正在向新型多品种、高精度型传感器出现在我们的生活中，传感器正在向新型多品种、高精度 即小型化、集成化、多功能智能化方向发展。近年来随着科学技术即小型化、集成化、多功能智能化方向发展。近年来随着科学技术 的发展，电容式传感器的缺点不断地被克服，应用也越来越广泛，的发展，电容式传感器的缺点不断地被