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加速度傳感器最全面的詮釋
傳感器是一種能將物理量、化學量、生物量等轉換成電信號的器件。輸出信號有
不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、
控制要求，是自動檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。如果把計算機比
作大腦，那么傳感器則相當于五官，傳感器能正確感受被測量并轉換成相應輸出
量，對系統(tǒng)的質量起決定性作用。自動化程度越高，系統(tǒng)對傳感器要求越高。在
今天的信息時代里，信息產(chǎn)業(yè)包括信息采集、傳輸、處理三部分，即傳感技術、
通信技術、計算機技術?，F(xiàn)代的計算機技術和通信技術由于超大規(guī)模集成電路的
飛速發(fā)展，而已經(jīng)充分發(fā)達后，不僅對傳感器的精度、可靠性、響應速度、獲取
的信息量要求越來越高，還要求其成本低廉且使用方便。顯然傳統(tǒng)傳感器因功能、特性、體積、成本等已難以滿足而逐漸被淘汰。世界許多發(fā)達國家都在加快對傳感器新技術的研究與開發(fā)，并且都已取得極大的突破。
如今傳感器新技術的發(fā)展，
主要有以下幾個方面：發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象
利用物理現(xiàn)象、化學反應、生物效應作為傳感器原理，所以研究發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應是傳感器技術發(fā)展的重要工作，是研究開發(fā)新型傳感器的基礎。
日本夏普公司利用超導技術研制成功高溫超導磁性傳感器，是傳感器技術的重大突破，其靈敏度高，僅次于超導量子干涉器件。它的制造工藝遠比超導量子干涉器件簡單。可用于磁成像技術，有廣泛推廣價值。利用抗體和抗原在電極表面上相遇復合時，會引起電極電位的變化，利用這一現(xiàn)象可制出免疫傳感器。用這種抗體制成的免疫傳感器可對某生物體內是否有這種抗原作檢查。如用肝炎病毒抗體可檢查某人是否患有肝炎，起到快速、準確作用。
美國加州大學已研制出這類傳感器。
傳感器的發(fā)展歷程
利用新材料
傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學進步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器；光導纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器；用陶瓷制成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。高分子電介常數(shù)小，水分子能提高聚合物的介電常數(shù)。將高分子電介質做成電容器，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。利用這個原理制成等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，其有以下特點：
測濕范圍寬；
溫度范圍寬，可達-40℃～+1500℃；
響應速度快，小于1S；
尺寸小，可用于小空間測濕；
溫度系數(shù)小。
陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩(wěn)定，年漂移量小于0.1%F.S,溫漂小于
±0.15%/10K,抗過載強,可達量程的數(shù)百倍。測量范圍可從0 到60mpa。德國
E+H 公司和美國Kavlio 公司產(chǎn)品處于地位。光導纖維的應用是傳感材料的重大突破，其最早用于光通信技術。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤姸?、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測量光波量的變化，就可知道導致這些光波量變化
的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小，利用這些原理可研制出光導纖維傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點：靈敏度高，結構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實現(xiàn)遙測等。光纖傳感器日本處于先進水平。如IdecIzumi 公司和Sunx 公司。光纖傳感受器與集成光路技術相結合，加速光纖傳感器技術的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號處理電壓，可靠性高，成本低。
傳感器的發(fā)展歷程
微機械加工技術
半導體技術中的加工方法有氧化、光刻、擴散、沉積、平面電子工藝，各向導性腐蝕及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已引進到傳感器制造。因而產(chǎn)生了各種新型傳感器，如利用半導體技術制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。日本橫河公司利用各向導性腐蝕技術進行高精度三維加工，制成全硅諧振式壓力
傳感器。核心部分由感壓硅膜片和硅膜片上面制作的兩個諧振梁結成，兩個諧振梁的頻差對應不同的壓力，用頻率差的方法測壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來的誤差。當環(huán)境溫度變化時，兩個諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測量最高精度可達0.01%FS。美國SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司開發(fā)一系列低價位,線性度在0.1%到0.65%范圍內的硅微壓力傳感器,最低滿量程為0.15psi(1KPa),其以硅為料制成,具有獨特的三維結構,輕細微機械加工,和多次蝕刻制成惠斯登電橋于硅膜片上,當硅片上方受力時,其產(chǎn)生變形,電阻產(chǎn)生壓阻效應而失去電橋平衡,輸出與壓力成比例的電信號.象這樣的硅微傳感器是當今傳感器發(fā)展的前沿技術,其基本特點是敏感元件體積為微米量級,是傳統(tǒng)傳感器的幾十、幾百分之一。在工業(yè)控制、航空航天領域、生物醫(yī)學等方面有重要的作用，如飛機上利用可減輕飛機重量，減少能源。另一特點是能敏感微小被測量，可制成血壓壓力傳感器。中國航空總公司北京測控技術研究所，研制的CYJ 系列濺謝膜壓力傳感器是采用離子濺射工藝加工成金屬應變計，它克服了非金屬式應變計易受溫度影響的不足，具有高穩(wěn)定性，適用于各種場合，被測介質范圍寬，還克服了傳統(tǒng)粘貼式帶來的精度低、遲滯大、蠕變等缺點，具有精度高、可靠性高、體積小的特點，廣泛用于航空、石油、化工、醫(yī)療等領域。
傳感器的發(fā)展歷程
集成傳感器
集成傳感器的優(yōu)勢是傳統(tǒng)傳感器無法達到的，它不僅僅是一個簡單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上，使之具有校準、補償、自診斷和網(wǎng)絡通信的功能，它可降低成本、增加產(chǎn)量，美國LUCAS、
NOVASENSOR 公司開發(fā)的這種血壓傳感器，每星期能生產(chǎn)1 萬只。
傳感器的發(fā)展歷程
智能化傳感器
智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計算機和傳感器相結合的成果，它兼有檢測、判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點：
具有判斷和信息處理功能，能對測量值進行修正、誤差補償，因而提高測量精度；
可實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量；
有自診斷和自校準功能，提高可靠性；
測量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；
有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計算機直接通信。
把傳感器、信號調節(jié)電路、單片機集成在一芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級智能傳感器。美國HONYWELL 公司ST-3000 型智能傳感器，芯片尺寸才有
3×4×2mm3，采用半導體工藝，在同一芯片上制成CPU、EPROM、靜壓、壓
差、溫度等三種敏感元件。
智能化傳感器的研究與開發(fā)，美國處于領先地位。美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船時稱這種傳感器為靈巧傳感器（SmartSensor），在宇宙飛船上這種傳感器是非常重要的。我國在這方面的研究與開發(fā)還很落后，主要是因為我國半導體集成電路工藝水平有限。傳感器的發(fā)展日新月異，特別是80 年代人類由高度工業(yè)化進入信息時代以來，傳感器技術向更新、更高的技術發(fā)展。美國、日本等發(fā)達國家的傳感器技術發(fā)展最快，我國由于基礎薄弱，傳感器技術與這些發(fā)達國家相比有較大的差距。因此，我們應該加大對傳感器技術研究、開發(fā)的投入，使我國傳感器技術與外國差距縮短，促進我國儀器儀表工業(yè)和自化化技術的發(fā)展。
加速度傳感器原理
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領域中進行沖擊、振動測量常用的測試儀器。
加速度傳感器原理概述
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉換為電容器的電容量變化。實現(xiàn)這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結構，它優(yōu)點是結構簡單，動態(tài)響應好，能實現(xiàn)無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。
差容式力平衡加速度傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。
變間隙電容的基本工作原理
如式2－1所示是以空氣為介質，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是、A、的函數(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當被測運動物體作上、下位移（即變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據(jù)輸出信號的大小，即可測定物體位移的大小，若把這種變化應用到電容式差容式力平衡傳感器中，當有加速度信號時，就會引起電容變化C，然后轉換成電壓信號輸出，根據(jù)此電壓信號即可計算出加速度的大校
由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離是成反比的雙曲線關系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內變化，而是限制在一個較小的范圍內，以使與C的關系近似于線性。
它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應減少起始間隙,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。
由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結構，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：
可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。
電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結構
工作原理
如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖
電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負電壓調節(jié)器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。
差容式力平衡傳感器機械結構原理
由于差動式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應線圈，彈簧片，作電容中間極的質量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質量塊，并在此質量塊上、下兩側面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質量塊的上側面形成電容C1，下底板與質量塊下側面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內振動。由相應芯片輸出的方波信號，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經(jīng)一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。
當沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，△C＝0后續(xù)電路沒有輸出；當有加速度信號時，中間極板（質量塊）將偏離中間位置，產(chǎn)生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設加速度為正時，質量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產(chǎn)生一個電容的變化量△C，△C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網(wǎng)絡。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當有電流流過線圈時，將產(chǎn)生感應磁場，就會有電磁力產(chǎn)生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到?jīng)]有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產(chǎn)生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當于在△C的放大
加速度傳感器的應用：通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發(fā)現(xiàn)光測量傾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的有用的信息。
加速度傳感器可以幫助你的機器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？ 或者對于飛行類的機器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的程序員能夠使用加速度傳感 器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機的振動。
加速度傳感器可以測量牽引力產(chǎn)生的加速度。
目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續(xù)運 行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù) 碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調節(jié)相機的聚焦。
概括起來，加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結構物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上
加速度傳感器未來發(fā)展態(tài)勢喜人
全球傳感器市場正呈現(xiàn)出快速增長態(tài)勢。資訊公司INTECHNOCONSULTING的市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。
加速度、振動、速度傳感器是汽車運動測量中的三種主要傳感器，一直保持穩(wěn)定而強勁的增長勢頭。其中加速度傳感器的市場增速尤為明顯。 汽車電子的發(fā)展 “沒有傳感器技術就沒有現(xiàn)代汽車”已成為業(yè)內共識，這意味著汽車電子化越發(fā)達，自動化程度越高，對傳感器依賴性就越大。對此，業(yè)內專家認為，未來新型汽車應用系統(tǒng)將催生新的汽車傳感器與之配套。傳感器的最大特點是不斷引入新技術發(fā)展新功能，未來汽車傳感器技術總發(fā)展趨勢是微型化、多功能化和智能化。 車用傳感器大致分為3類：動力系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)和車身舒適系統(tǒng)傳感器。其中動力系統(tǒng)傳感器市場所占比例最大，體現(xiàn)了汽車傳感器的最先進技術。例如，油門踏板位置傳感器的角度誤差必須在0.4%以內；節(jié)氣門位置傳感器需要極高的可靠性，并要能夠在-50度到150度工作。
在動力系統(tǒng)中，有源傳感器引領發(fā)展趨勢。凸輪和曲軸傳感器因為與汽車的“心臟”發(fā)動機密切相關，成為動力系統(tǒng)的關鍵。而有源的凸輪傳感器和曲軸傳感器能夠為動力系統(tǒng)提供更多的保護，因此將引領未來發(fā)展趨勢。預計在2009年，將有5820萬個有源曲軸傳感器投入使用，而無源傳感器則將減少到2150萬個。
在安全管理系統(tǒng)中，壓力傳感器 數(shù)字壓力傳感器E8F2-B10C 實現(xiàn)側氣囊控制。汽車安全管理系統(tǒng)也是廣泛使用傳感器的領域。汽車側邊氣囊的控制有加速度傳感器和壓力傳感器兩種方案。 MEMS的市場需求 雖然國際金融危機對手機和消費電子市場產(chǎn)生了負面影響，但主要應用于上述市場的MEMS加速度傳感器的增長勢頭卻沒有因此而改變。據(jù)行業(yè)內相關人士指出“MEMS加速度計逐步成為手機標配的趨勢不會改變?！彪m然今年MEMS加速度傳感器在游戲機市場的應用有所降溫，但與此同時卻在其他很多新應用領域，如電子書和數(shù)碼相機中找到了自己的用武之地，因此MEMS加速度器市場還將持續(xù)增長。 加速度傳感器發(fā)展趨勢 從加速度傳感器實現(xiàn)的功能來看，無論是國際知名品牌的手機，還是普通的手機，其主要功能是通過傾斜、晃動等動作來實現(xiàn)用戶界面控制、游戲控制以及菜單瀏覽等操控功能。與此同時，也有一些側重軟件開發(fā)的客戶在開發(fā)一些衍生功能，例如無線鼠標。此外，加速度傳感器還可以結合其他類型的傳感器(如陀螺儀)開發(fā)出性能更好的應用。從這些新的應用我們可以看出，客戶的開發(fā)正在不斷深入。
從價格上看，加速度傳感器今年的價格比去年同期下降了近一半，從去年的1.5-2美元降到今年的1美元以下。這樣的價格水平對于加速度傳感器的普及來說，已經(jīng)不會像過去那樣形成那么大的障礙了。但是，因為目前手機產(chǎn)品的利潤率非常低，客戶對元器件的價格要求非常嚴格，應該說，現(xiàn)在加速度傳感器的價格也不是非常便宜，其成本也會占到低端手機整體成本的個位數(shù)百分比。 據(jù)相關機構預測，2013年加速度傳感器將成為MEMS市場上最熱門的產(chǎn)品。該預測基于美國iSuppli發(fā)布的MEMS市場調查結果。iSuppli預測，加速度傳感器市場2008～2013年將以年均10％（CAGR）的增長率增長，2013年的銷售額將達到17億日元。因此，預計加速度傳感器將取代增長速度急速下滑的噴墨頭及DLP（數(shù)字光學處理）芯片，成為MEMS市場的主角。
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。介紹了加速度傳感器的產(chǎn)生，加速度傳感器的應用和原理和加速度傳感器的未來發(fā)展趨勢。隨著傳感器的發(fā)展加速度傳感器加速度傳感器未來發(fā)展態(tài)勢喜人，加速度傳感器的應用也越來越普遍，生活中好多地方都應用到。本論文論述我加速度傳感器的各方面應用和未來發(fā)展態(tài)勢。
衡器的類別
衡器發(fā)分自動衡器和非自動衡器兩大類，而市場上普遍使用的是非自動衡器。它主要用于貿易結算方面，也是群眾接觸最多的電子衡器，例如其中普遍使用的電子計價秤、電子臺秤和電子汽車衡；自動衡器一般較常見于工礦企業(yè)的配料秤、定量包裝秤等。
電子衡器主要是由稱重顯示控制器、稱重傳感器和電器控制等部分組成，合理選用稱重顯示控制器和稱重傳感器是決定該廠品質量的關鍵，它決定了秤的精度、可靠性以及故障因數(shù)等參數(shù)。
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