如何選用加速度傳感器

加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)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(gè)常量，比如g，也可以是變量。加速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。

加速度傳感器的原理及技術(shù)

線加速度計(jì)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(cè)量F就可以了。怎么測(cè)量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。

多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來(lái)工作的。一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。當(dāng)然，還有很多其它方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量，并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題。

壓阻式加速度傳感器由于在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)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(lái)越成為汽車制造商的賣點(diǎn)，這種附加系統(tǒng)也越來(lái)越多。壓阻式加速度傳感器在歐洲市場(chǎng)的速度最快，因?yàn)闅W洲是許多安全氣囊和汽車生產(chǎn)企業(yè)的所在地。

壓電技術(shù)主要在工業(yè)上用來(lái)防止機(jī)器故障，使用這種傳感器可以檢測(cè)機(jī)器潛在的故障以達(dá)到自保護(hù)，及避免對(duì)工人產(chǎn)生意外傷害，這種傳感器具有用戶（尤其是質(zhì)量行業(yè)的用戶）所追求的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和自生性。但是在許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，很多用戶尚無(wú)使用這類傳感器的意識(shí)，銷售商冒險(xiǎn)進(jìn)入這種尚待開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)會(huì)麻煩多多，因?yàn)榻K端用戶對(duì)使用這種傳感器而帶來(lái)的問(wèn)題和解決方法都認(rèn)識(shí)不多。如果這些問(wèn)題能夠得到解決，將會(huì)促進(jìn)壓電傳感器得到更快的發(fā)展。

電容傳感器有望有一個(gè)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，來(lái)自歐洲和北美洲的汽車業(yè)和工業(yè)用戶是這些產(chǎn)品的主要購(gòu)買者。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(cè)、慣性剎車燈、前燈水準(zhǔn)測(cè)量、安全帶伸縮、自動(dòng)門鎖和安全氣囊。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，電容式傳感器是非常有吸引力的，因?yàn)樗鼰o(wú)需接觸待測(cè)物，所以不必?cái)D進(jìn)狹窄的空間中。

加速度傳感器的應(yīng)用

通過(guò)測(cè)量重力引起的加速度，可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過(guò)分析動(dòng)態(tài)加速度，可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。但是剛開(kāi)始的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)光測(cè)量?jī)A角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多有用的信息。

加速度傳感器可以幫助你的機(jī)器人了解它現(xiàn)在所處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒(méi)有？或者對(duì)于飛行類的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，對(duì)于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。一個(gè)好的程序員能夠使用加速度傳感器來(lái)回答所有上述問(wèn)題。加速度傳感器甚至可以用來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，還可以測(cè)量牽引力產(chǎn)生的加速度。

IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能地選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，以便最大程度地保護(hù)由于振動(dòng)，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，最大程度地保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。

概括起來(lái)，加速度傳感器可應(yīng)用在：控制，手柄振動(dòng)和搖晃，儀器儀表，汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)，地震檢測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)， 玩具， 結(jié)構(gòu)物， 環(huán)境監(jiān)視，工程測(cè)振，地質(zhì)勘探，對(duì)鐵路、橋梁、大壩的振動(dòng)測(cè)試與分析； 鼠標(biāo)、高層建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，以及安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察。

如何選用加速度傳感器

模擬輸出 vs 數(shù)字輸出 這個(gè)是最先需要考慮的。這個(gè)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(duì)應(yīng)0g的加速度，2.6V對(duì)應(yīng)于0.5g的加速度。數(shù)字輸出一般使用脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。

如果你使用的微控制器只有數(shù)字輸入，比如BASIC Stamp，那你就只能選擇數(shù)字輸出的加速度傳感器了，但是問(wèn)題是你必須占用額外的一個(gè)時(shí)鐘單元用來(lái)處理PWM信號(hào)，同時(shí)對(duì)處理器也是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。

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(jiǎn)單地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指令，而且處理此指令的速度只要幾微秒。

測(cè)量軸數(shù)量 對(duì)于多數(shù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿足多數(shù)應(yīng)用了。對(duì)于某些特殊的應(yīng)用，比如UAV，ROV控制，三軸的加速度傳感器可能會(huì)適合一點(diǎn)。

最大測(cè)量值 如果你只要測(cè)量機(jī)器人相對(duì)于地面的傾角，那一個(gè)±1.5g加速度傳感器就足夠了。但是如果你需要測(cè)量機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，±2g也應(yīng)該足夠了。要是你的機(jī)器人有突然啟動(dòng)或者停止的情況出現(xiàn)，那你需要一個(gè)±5g的傳感器。

靈敏度 一般來(lái)說(shuō)，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對(duì)一定范圍內(nèi)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(cè)量，從而獲得更精確的測(cè)量值。

靈敏度是壓電加速度傳感器應(yīng)用時(shí)候要考慮的重要因素之一。它是傳感器在正常工作的時(shí)候輸入信號(hào)R與輸出信號(hào)C的比值，有成線性的，也有非線性的。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。靈敏度自然是越高，但是實(shí)際上靈敏度越高測(cè)量范圍就窄；相反，靈敏度低點(diǎn)就能獲得比較寬的測(cè)量范圍。所以在產(chǎn)品選擇傳感器的時(shí)候就要從需要出發(fā)，一味地使用高精度傳感器往往就意味著更高的成本。

帶寬 這里的帶寬實(shí)際上指的是刷新率。也就是說(shuō)每秒鐘，傳感器會(huì)產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對(duì)于一般只要測(cè)量?jī)A角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對(duì)于需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能，比如振動(dòng)，你會(huì)需要一個(gè)具有上百HZ帶寬的傳感器。

電阻/緩存機(jī)制 對(duì)于有些微控制器來(lái)說(shuō)，要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，其連接的傳感器阻值必須小于10k Ω。比如加速度傳感器的阻值為32kΩ，在PIC和AVR控制板上無(wú)法正常工作，所以建議在購(gòu)買傳感器前，仔細(xì)閱讀控制器手冊(cè)，確保傳感器能夠正常工作。

抗疲勞性 它也是壓電加速度傳感器的重要因素。在有些應(yīng)用中需要持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用傳感器，這就要求內(nèi)部部件能夠支持長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。使用高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的材料器件應(yīng)該能夠很好地解決這一問(wèn)題。

穩(wěn)定性 一些特殊場(chǎng)合中需要特定的傳感器，一般的傳感器會(huì)很快毀損。例如烤鴨的烤爐中，監(jiān)測(cè)溫度濕度的傳感器就要經(jīng)受住長(zhǎng)期的油膩、高溫、潮濕等。相信，壓電加速度也會(huì)有類似的嚴(yán)峻的工作環(huán)境。這就要求很高的穩(wěn)定性。