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一、 设计要求
1、功能与用途
加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，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，自动调节相机的聚焦。而这些产品中由于要求对温度的干扰有很大的免疫力，其中采用的都是压电式加速度传感器。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能方面，灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到的重要因素之一。
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，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。
2、指标要求
分别用压电式传感器、电阻应变式传感器、电容传感器实现加速度的测量将非电量转化为电量输出。
二、设计方案及其特点
依据压电效应、电阻应变效应以电容相关的物理参数及性质随外力而变化的特性，可制作成压电式加速度传感器、电阻应变式加速度传感器及电容式加速度传感器。三种加速度传感器的设计及特点分别叙述如下：
1、方案一 压电式加速度传感器
压电加速度测量系统结构框图如图1所示： 压电加速度 传感器 图1 压电加速度测量系统结构框图 电荷放大器 信号处理电路 A/D
转换电路压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件 ,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材料 ,当沿着一定
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方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象 ,同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷;当外力去掉后 ,又重新恢复不带电的状态;当作用力的方向改变时 ,电荷的极性也随着改变。电信号经前置放大器放大 ,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小 ,从而得出物体的加速度
图2 压电式加速度计的幅频特性曲线
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图2。
方案二 电阻应变式加速度传感器
2314应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。
图3 应变式加速度传感器结构
1—等强度梁；2—质量块；3—壳体；4—电阻应变敏感元体图3中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4 。
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压， 即可得出加速度a值的大
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小。
431—固定电极；C25C12—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体d2传感器 2、方案三 电容式加速度电容加速度测量系统结构框图如图4所示：
62d11图4 电容加速度测量系统结构框
测量振动体相对于大地或惯性空间的运动，通常采用惯性式测振传感器。惯性式测振传感器种类很多，用途广泛。加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，其中电容式加速度传感器具有测量精度高，输出稳定，温度漂移小等优点。而电容式加速度传感器实际上是变极距差动电容式位移传感器配接“m-k-c”系统构成的。其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。
三、加速度传感器工作原理
1、压电式加速度传感器
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。Y压电陶瓷力与电荷之间的关系式：Q?d33F (1) 式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F——作用力。 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性的作用 ，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。设质量块作用于压电元件的力为F上 ，支座作用于压电元件的力为 F下，则有
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式中 M 为质量块质量; m 为晶片质量; a为物体振动加速度。
(2)
2、电阻应变式加速度传感器
导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。导体或半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体的电阻R??L（5）与电阻率S及其几何尺寸有关，当导体或半导体受到外力作用时，这三者都会发生变化，从而引起电阻的变化。外界作用力与加速度成正比，由此可测得加速度的大小。
当金属丝受拉力作用时?,L,S相应变化为d?,dL,dS ，因而引起电阻变化为
dR。对（5）式全微分可得:
??lldR? dl?2dS?d?SSSL，dS?2?rdr带入的电阻相对变化量为： S(6)
两边同除以R，把R??
dRdldrd???2? (7) Rl r ?由材料力学可知轴向应变和径向应变的关系可表示为:
?y????x (8)
dRd??(1?2?)?x? 综合上式得: (9) R?
dR/Rd?/?灵敏度 ： (10) Ks??(1?2?)?Ks称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。显然，Ks越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。
半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：
dRd??(1?2?)?x? (11) R? (12)
F下?(M?m)a用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值σ为
?x?x4
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??E? (13) 由此可知加速度正比于应力，应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量的基本原理。
?AC?d2、电容式加速度传感器
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为 ：
(14) 式中: ε——电容极板间介质的介电常数，???o?r，其中?o为真空介电常数，?r极板间介质的相对介电常数； A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。
Cf四、电路设计和参数计算 1、压电式
-AK 压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图 6 所示。 RiRaQCaCcCiUo图6 压电传感器在测量系统中的实际等效电路
图中 ,AK 为运算放大器增益。,根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为 Q?Ui(Ca?Cc?Ci)?(Ui?UO)Cf （15） 式中 Cf为反馈电容。将 UO??AKUi 代入式（15）得
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