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1、加速度传感器传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。输出信号有 不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、 控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。如果把计算机比 作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出 量，对系统的质量起决定性作用。自动化程度越高，系统对传感器要求越高。在 今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、 通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的 飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取 的信息量要
2、求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。显然传统传感器因功能、 特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。世界许多发达国家都在加快对传 感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。如今传感器新技术的发展， 主要有以下几个方面：一. 发现并利用新现象利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象 与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。 日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的 重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导 量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。利用抗体和抗原 在电极表面
3、上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免 疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作 检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。 美国加州大学已研制出这类传感器。传感器的发展历程二. 利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各 种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成 压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。高分子聚 合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介 常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测 定
4、电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚 苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点： 测湿范围宽；温度范围宽，可达-40C+1500C；响应速度快，小于1S；尺寸小，可用于小空间测湿；温度系数小。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷 技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1%F.S，温漂小于 0.15%/10K，抗过载强,可达量程的数百倍。测量范围可从0到60mpa。德国 E+H公司和美国Kavlio公司产品处于领先地位。光导纤维的应用是传感材 料的重大突破，其最早用于光通信技术。在光通信利用中发现当温度、压力、 电场、磁场等环境条
5、件变化时，引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏 振态等变化，测量光波量的变化，就可知道导致这些光波量变化 的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小，利用这些原理可研制出光导纤 维传感器。光纤传感器与传统传感器相比有许多特点：灵敏度高，结构简单、 体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、光路可弯曲、便于实现遥测等。光纤传感器 日本处于先进水平。如IdecIzumi公司和Sunx公司。光纤传感受器与集成 光路技术相结合，加速光纤传感器技术的发展。将集成光路器件代替原有光 学元件和无源光器件，使光纤传感器有高的带宽、低的信号处理电压，可靠 性高，成本低。传感器的发展历程三. 微机械加工技术半导体技术中的加工方法
6、有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺，各向 导性腐蚀及蒸镀，溅射薄膜等，这些都已引进到传感器制造。因而产生了各 种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出 快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制压力传感器等。日本横 河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力 传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个 谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等 因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将 两个频率差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达 0.01%FS。美
7、国 SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司开发一系列低价位，线 性度在0.1%到0.65%范围内的硅微压力传感器,最低满量程为0.15psi(1KPa), 其以硅为料制成，具有独特的三维结构，轻细微机械加工，和多次蚀刻制成惠 斯登电桥于硅膜片上，当硅片上方受力时，其产生变形，电阻产生压阻效应而 失去电桥平衡，输出与压力成比例的电信号.象这样的硅微传感器是当今传感 器发展的前沿技术，其基本特点是敏感元件体积为微米量级，是传统传感器的 几十、几百分之一。在工业控制、航空航天领域、生物医学等方面有重要的 作用，如飞机上利用可减轻飞机重量，减少能源。另一特点是能敏感微小被 测
8、量，可制成血压压力传感器。中国航空总公司北京测控技术研究所，研制 的CYJ系列溅谢膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计，它克 服了非金属式应变计易受温度影响的不足，具有高稳定性，适用于各种场合， 被测介质范围宽，还克服了传统粘贴式带来的精度低、迟滞大、蠕变等缺点， 具有精度高、可靠性高、体积小的特点，广泛用于航空、石油、化工、医疗 等领域。传感器的发展历程四. 集成传感器集成传感器的优势是传统传感器无法达到的，它不仅仅是一个简单的传感器， 其将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上，使之具有校准、 补偿、自诊断和网络通信的功能，它可降低成本、增加产量，美国LUCAS、 NOV
9、ASENSOR公司开发的这种血压传感器，每星期能生产1万只。传感器的发展历程五. 智能化传感器智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器相结合的 成果，它兼有检测、判断和信息处理功能，与传统传感器相比有很多特点： 具有判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，因而提高测量 精度；可实现多传感器多参数测量；有自诊断和自校准功能，提高可靠性；测量数据可存取，使用方便；有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高 级智能传感器。美国HONYWELL公司ST-3000型智能传感器，芯片尺寸才有 3X4X2mm3,采用
10、半导体工艺，在同一芯片上制成CPU、EPROM、静压、压 差、温度等三种敏感元件。智能化传感器的研究与开发，美国处于领先地位。美国宇航局在开发宇宙飞 船时称这种传感器为灵巧传感器（SmartSensor），在宇宙飞船上这种传感器 是非常重要的。我国在这方面的研究与开发还很落后，主要是因为我国半导 体集成电路工艺水平有限。传感器的发展日新月异，特别是80年代人类由 高度工业化进入信息时代以来，传感器技术向更新、更高的技术发展。美国、 日本等发达国家的传感器技术发展最快，我国由于基础薄弱，传感器技术与 这些发达国家相比有较大的差距。因此，我们应该加大对传感器技术研究、 开发的投入，使我国传感器技术
11、与外国差距缩短，促进我国仪器仪表工业和 自化化技术的发展。加速度传感器原理加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪 器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。1、加速度传感器原理概述加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪 器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。 实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度 传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实 现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但 是由于
12、本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MQ至几百 MQ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件 与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传 感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容 中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此 即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电 压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。2、变间隙电容的基本工作原理如式2-1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行
13、板电容器，当不考 虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：由式（2-1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定， 下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位 移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为 电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小， 若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引 起电容变化C,然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的 大校由式（2 2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这 种传感器特性的非线性，所以
14、工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化， 而是限制在一个较小的范围内，以使与C的关系近似于线性。它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减 少起始间隙，但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。由式（2 5）可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定 的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度， 因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差 动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移增加时，另一个电容器C2 的电容则减少，它们的特性方程分别为：可见，电容式传感器做成差动式之后，
15、非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与 此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于 温度等环境影响所造成的误差。3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构3.1工作原理如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器 LT1058，双运放op270放大器组成。3.2差容式力平衡传感器机械结构原理由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广 泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主 要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆
16、铜 的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的 固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑 的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动 极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形 成电容C2,弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一 个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此 方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一 个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1 = C2，C = 0后 续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产 生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与 上顶板距离
