加速度传感器原理与应用
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二．加速度传感器原理与应用
1、概述
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，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变
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）的改进的。另一种
就是线加速度计。
2、加速度传感器应用领域
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。目前最新IBMThinkpad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。
3、加速度传感器工作原理
加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）
我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F
对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、
滤波就是电路的事了。
现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、
科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制
造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度
传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于
实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批
量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导
地位。
微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。
1）压电式
压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与
加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电
式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力
自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压
电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计
和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致
性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率
的信号。
2）压阻式应变
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。
3）电容式
电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而
改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度
传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；
但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传
感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实
际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且
成本也比压电式加速度传感器高得多。
4、选购加速度传感器需考虑的因素
1）·模拟输出VS数字输出：这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速度传感
器之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2.5V对应0g的加速度，
2.6V对应于0.5g的加速度。数字输出一般使用脉宽调制（PWM）信号。如果你使用的微
控制器只有数字输入，比如BASICStamp，那你就只能选择数字输出的加速度传感器了，
但是问题是你必须占用额外的一个时钟单元用来处理PWM信号，同时对处理器也是一个
不小的负担。如果你使用的微控制器有模拟输入口，比如PIC/AVR/OOPIC，你可以非常简
单的使用模拟接口的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似
"acceleration=read_adc()"的指令，而且处理此指令的速度只要几微秒。
2）·测量轴数量：对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某
些特殊的应用，比如UAV，ROV控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。
3）·最大测量值：如果你只要测量机器人相对于地面的倾角，那一个±1.5g加速度传感器就
足够了。但是如果你需要测量机器人的动态性能，±2g也应该足够了。要是你的机器人会
有比如突然启动或者停止的情况出现，那你需要一个±5g的传感器。
4）·灵敏度：一般来说，越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感，
输出电压的变化也越大，这样就比较容易测量，从而获得更精确的测量值。
5）·带宽：这里的带宽实际上指的是刷新频率范围。也就是说每秒钟，传感器会产生多少次
读数。对于一般只要测量倾角的应用，50HZ的带宽应该足够了，但是对于需要进行动态性
能，比如振动，你会需要一个具有上百HZ带宽的传感器。
6）·电阻/缓存机制：对于有些微控制器来说，要进行A/D转化，其连接的传感器阻值必须
小于10kΩ。比如AnalogDevices''''sanalog加速度传感器的阻值为32kΩ，在PIC和AVR
控制板上无法正常工作，所以建议在购买传感器前，仔细阅读控制器手册，确保传感器能够
正常工作