壓電加速度傳感器工作原理

壓電加速度傳感器的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)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(gè)力就可以了。就可以得到 F對應于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗去標定這個(gè)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。

現代科技要求壓電加速度傳感器廉價(jià)、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統、科學(xué)測量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩定的加速度傳感器。以傳統加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿(mǎn)足這些要求。于是應用新興的微機械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應運而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動(dòng)快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現數字化和智能化。而且，由于微機械結構制作精確、重復性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價(jià)格比很高?？梢灶A見(jiàn)在不久的將來(lái)，它將在加速度傳感器市場(chǎng)中占主導地位。

壓電加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。

壓電加速度傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結構簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(cháng)，但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的同類(lèi)傳感器性能的實(shí)際參數以及其穩定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

壓電加速度傳感器整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座上，并用金屬殼體加以封罩。為了隔離試件的任何應變 傳遞到壓電元件上去，基座尺寸較大。測試時(shí)傳感器的基座與測試件剛性連接。當測試件的振動(dòng)頻率遠低于傳感器的諧振頻率時(shí)，傳感器輸出電荷(或電壓)與測試件的加速度成正比，經(jīng) 電荷放大器或電壓放大器即可測出加速度。

應變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料制成電阻測量電橋，其結構動(dòng)態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統?，F代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時(shí)壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設計也是壓阻式傳感器的一個(gè)亮點(diǎn)。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性，但對某個(gè)特定設計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點(diǎn)是受溫度的影響較大，實(shí)用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補償。在價(jià)格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價(jià)具有很大的市場(chǎng)競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠高于壓電型加速度傳感器。

電容型加速度傳感器的結構形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統。當質(zhì)量受加速度作用運動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計與其它類(lèi)型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環(huán)境適應性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較??；但不足之處表現在信號的輸入與輸出為非線(xiàn)性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過(guò)后繼電路給于改善。在實(shí)際應用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

加速度傳感器可應用在控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車(chē)制動(dòng)啟動(dòng)檢測，地震檢測，報警系統，玩具，結構物、環(huán)境監視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測試與分析；鼠標，高層建筑結構動(dòng)態(tài)特性和安全保衛振動(dòng)偵察上。

目前，大部分設備都提供了可以檢測各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x,y,z軸代表方向如圖）的特性來(lái)分析。分別用以檢測人步行中三個(gè)方向的加速度變化。

計步的合理算法

因為用戶(hù)在運動(dòng)中可能用手平持設備，或者將設備置于口袋中。所以，設備的放置方向不定。為此，通過(guò)計算三個(gè)加速度的矢量長(cháng)度，我們可以獲得一條步行運動(dòng)的正弦曲線(xiàn)軌跡。

第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長(cháng)度和運動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(cháng)度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄。通過(guò)對峰值的次數累加，可得到用戶(hù)步行的步伐。

最后，就是去干擾。手持設備會(huì )有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，或是我們俗稱(chēng)的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶(hù)想通過(guò)短時(shí)快速反復搖動(dòng)設備來(lái)模擬人走路，這些干擾數據如果不剔除，會(huì )影響記步的準確值，對于這種干擾，我們可以通過(guò)給檢測加上閥值和步頻判斷來(lái)過(guò)濾。