MEMS_CAD_高量程加速度传感器的设计与仿真

平时上课出勤及表现（20%）实验课出勤/实验结果检

查/实验报告/期中测试

（30%）

课程结业试题

理论/设计/总结报告

（50%）

课程最终

成绩

上面表格为该课程最终成绩记入方法。

2010/2011学年第2学期

《MEMS CAD》课程结业试题

学院：电子与计算机科学技术学院

班级及学号：

姓名：

本结业试题包括：

一、理论部分；

二、综合设计实验部分；

三、本课程主要内容总结报告。

理论试题部分（40分）综合设计实验仿真部分

（40分）

课程总结报告

（20分）

总分

提交截止时间：2011年5月5日中午12：00点。

任课教师：

2011-4-12

实验一：高量程加速度传感器的设计与仿真

（a ）正视图 （b ）俯视图

图1

高量程加速度传感器结构

图2 结构截面图及参数说明

题意：上图为一高g 值加速度传感器结构示意图，四端固支梁岛结构截面图如图2所示，各结构参数定义如下：

梁长1a ； 梁宽2a ； 梁厚1h ； KOH 腐蚀深度2h ； KOH 腐蚀形成<111>与<100>的夹角θ，54.74θ= ； 质量块长/宽2a ； 质量块厚H ，12H h h =+； 质量块下表面边长s ，222(/tan )s a h θ=-；

梁

质量块

边框

长度 （a1） 宽度 （a2） 厚度

（h1）

顶部 长度/宽度 （a2） 底部 长度/宽度 （s ） 厚度

（H ）

顶部

宽度

（c1） 底部 宽度 （c2） 结构整体

长度/宽度 尺寸 （μm ）

600

1050

80

1050

598

395

800

577

3850

单晶硅的材料参数

参数 ρ（Kg/um 3）

EX （N*um -2）

PRXY 硅

2．33*10-15

1.7*105

0.3

求解：

1）建立高g 值传感器模型； ------------（10分）

2）对模型加载边界条件全约束和150000g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看结构各部分的受力状况；---------（10分）

3）求解六阶模态，并在word文档中保存其前六阶模态云图；--（10分）

4）采用完全法对高g值加速度传感器模型进行瞬态分析。在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时间为20μs的冲击加速度，值为200000g。将载荷分为50个子步，画出其敏感质量块端部的最大位移曲线。----（10分）

实验步骤：

1.定义工作名、工作标题、过滤参数

1) 定义工作名：Utility menu > File > Jobname输入gaoliangchengjiasuduchuanganqi

2) 工作标题：Utility menu > File > Change Title输入0806024202 lixiaofeng

2.选择单元类型Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

Structural Solid > brick 8node45单击OK

3.设置材料属性

1) 定义材料的弹性模量EX，Main Menu>Preprocessor>MaterialProps >Material Models>Structural>Linear>Elastic>Isotropic，弹性模量EX＝1.7E-7，泊松比 PRXY＝0.3

2) 定义材料的密度DENS，Main Menu>Preprocessor > Material Props > Material Models>density ，DENS =2.33E3

4.建立模型

1)创建关键点：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS

NPT X Y Z NPT X Y Z

1 -299E-6 299E-6 315E-6 9 -1125E-6 1125E-6 0

2 299E-6 -299E-6 315E-6 10 1125E-6 1125E-6 0

3 299E-6 -299E-6 315E-6 11 1125E-6 -1125E-6 0

4 -299E-6 299E-6 315E-6 12 -1125E-6 -1125E-6 0

5 -525E-

6 -525E-6 0 13 -1348E-6 -1348E-6 315E-6

6 -525E-6 525E-6 0 14 -1348E-6 1348E-6 315E-6

7 525E-6 525E-6 0 15 1348E-6 1348E-6 315E-6

8 525E-6 -525E-6 0 16 1348E-6 -1348E-6 315E-6 2)点生成体Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create> Volumes >Arbitrary>Through

Kps，选择点1-8生成体，点击apply，选择9-16点，生成体

3)建立长方体Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes > Block >

By Dimension ，x1=-1925e-6；x2=-1925e-6，y1=-1925e-6；y2=-1925e-6z1=-80e-6；

z2=315e-6

4)Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Volumes

首先拾取长方体，点击Apply，然后拾取减去的9—16点生成体，点击OK。

5)建立四个小长方体Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes >

Block > By Dimension ，x1=525e-6；x2=1125e-6，y1=525e-6；y2=1125e-6z1=-80e-6；

z2=0，坐标相互对称

6)Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Volumes

首先拾取整体，点击Apply，然后拾取减去的四个小长方体，点击OK。如图1

7)Main Menu> Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Volumes , Pick All

8)建立凹槽

a.建立关键点Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，NPT=60(-223E-6，223E-6，315E-6), NPT=61(223E-6，223E-6，315E-6),

NPT=62(223E-6，-223E-6，315E-6), NPT=63(-223E-6，-223E-6，315E-6)

NPT=64(0，0，0)

b.生成面：Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas >Arbitrary >By Lines,生成五个面，

c.Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Volumes >Arbitrary >By Area

d.Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Subtract > Volumes 首先拾取质量块，点击Apply，然后拾取减去的凹槽，点击OK。结果如图2

图1 挖去四个长方体图2 挖去凹槽后

5.划分网络：Main Menu>Preprocessor>Mesh Tool...

1)将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为“on”

2)将滑动码设置为“6” (也可将其设置为“5”或更小值来获得更密的网格)

3)确认Mesh Tool的各项为: Volumes, Tet, Free

4)MESH—Pick All（如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取“OK” 或“Close”

5)关闭 Mesh Tool结果如图3

6.静力学分析

1) 指定分析类型及分析选项

a．Main Menu >Solution >New Analysis>Static

b．Main Menu >Solution >Sol’n Controls，单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“√”。打开预应力选项。单击OK

2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement

>On Areas,约束边框四个面的自由度。

3）施加集中力载荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Inertia>Gravity> Global在ACELZ Global Cartesian Z-comp中输入-1500000点击OK

4）求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。

5）观察解得的静力分析结果，结果如图4

a.Main Menu >General Postproc >Read Results >First Set，

b.MainMenu>General Postproc>Plot Results>Nodal SoluDOF>Displacement vector sum

图3 自由式网格划分图图4 静力学分析图

7.进行模态分析

1）指定分析选项，Main Menu >Solution >Analysis Type >New Analysis>Modal

2）施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement >On Areas,约束边框周围的四个面的自由度。

3) 分析选型设定，Main Menu >Solution >Analysis Type >Analysis Options 在弹出对话框中，指定Mode extraction method (模态提取方法)为Block Lanczos (块兰索斯法)，并指定No. of modes extract (提取模态的阶数)为6 ,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩展阶数)文本框中输入6。将Incl prestress effects (预应力效应)设置为“YES”，单击ok 按钮，将会弹出Block Lanczos Method (兰索斯法模态分析选项)对话框，指定的值为：Start Freq (开始频率)是0，End Frequency (结束频率)是9999999999。单击ok 按钮 4）进行求解 Main Menu>Solution>Current LS 5）观察解得的模态

a. Main Menu >General Postproc >Read Results >First Set ，

b. Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal SoluDOF>Displacement vector sum

c. Main Menu>General Postproc>Read Results>Next Set ，选第二阶模态。

d. Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal SoluDOF>Displacement vector sum f.对余下的各阶模态重复步骤c ～d ，观察所求解的各阶模态的振型

图5一阶模态分析图 图6 二阶模态分析图

图7 三阶模态分析图 图8 四阶模态分析图

图9 五阶模态分析图 图10 六阶模态分析图 1. 进行瞬态分析 1） 从网格划分开始

2）指定分析类型及分析选项Main Menu >Solution >New Analysis>Transient 点击OK ，在弹出窗口中[TRNOPT]中选择full 点击OK 。

3)施加位移约束MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>On Areas,约束边框周围的四个面的自由度

4)定义时间段MainMenu>Solution>load step>Time/Frequenc>Time-Time step 输入[TIME]=0.01e-6，KBC 选择Stepped ，点击OK.

5)施加集中力载荷：MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply> Structural >intertia>gravity>gloabe,输入ACELZ=2000000，点击OK ， 6)求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS 。

7） 重复第4,5,6步，输入 [TIME]=2e-6，[DELTIM]=0.4e-6, 点击OK ，在Z 轴方向施 加力为200000，点击OK ；每间隔2e-6us 选一个数值，直到[TIME]=2e-5。

8)Main Menu >TimeHist Postpro>define variable，点ADD> Nodal DOF result,点OK,选凹槽底部，选translation UZ，点OK.

9)Main Menu >TimeHist Postpro>Graph variable在弹出对话框输入NVAR1=2点击OK,结果如图11

图11 时间—位移曲线

三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告，报告的第一部分为本课程的主要内容总结，第二部分请您谈谈你对本课程学习的认识与体会。（20分）

A.MEMS CAD课程的主要内容：

1.MEMS 的发展与前景的介绍，说明MEMS的重要性。由此引出MEMS设计软件Ansys

2. Ansys软件的使用

1）Ansys软件的安装及其功能介绍

2）实体建模

Ansys软件中有两种模型：一种是实体模型，包括关键点、线、面、体等几何对象；另一种是有限元模型，包括节点和单元。

Ansys中的建模方法有两种：一种是自底向上（首先建立关键点，用这些点建立线、面等。）和自顶向下（首先定义体（或面），然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状）两种。

图1 自底向上建模方法图2 自顶向下建模方法

实体模型几何图形定义之后，可以有边界决定网络，即每一线段分成几个单元或单元的尺寸是多大。定义了每边单元数目或尺寸大小之后，ANSYS程序即能自动产生网格，即自动产生节点和单元，并同时完成有限元模型。实体建模还有布尔运算、移动和复制两种方法，布尔运算和移动、复制都是为了构建复杂的实体模型。

3）网格化分

在网格划分之前需要进行单元的属性设置。归纳起来，网格划分生成节点和单元的过程主要包括以下3个步骤：

a.定义单元类型,材料特性；

ANSYS软件的单元库提供了100多种单元类型，并按类型分了类，几乎能解决大部分常见问题，如SOLID96、BEAM3、SHELL3等。在有限元分析过程中，对于不同的问题需要不同特征的单元，单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精确度。

实常数的设置是依赖于单元类型的，如BEAM单元的横截面特性、SHELL单元的厚度设置等。

定义材料参数就是输入进行有限元分析的材料本构关系。根据分析问题的不同，材料参数可以是：

①线性或非线性；

②各向同性、正交异性或非弹性；

③不随温度变化或随温度变化。

b.定义网格划分控制；

选择Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool命令，打开网格划分工具对话框，网格划分控制可以进行单元属性设置、Smart Size网格划分控制、单元尺寸设置、单元形状控制、网格划分器选择、网格划分优化。其中网格划分尺寸控制是重点内容。

网格划分可分为关键点网格划分、线网格划分、面网格划分、体网格划分。

c.生成网格

【注】网格化分主要分为两种：自由式网格划分和映射式网格化分。通过实验和理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理论。

4）施加载荷与求解

在建立有限元模型后就可以对模型施加载荷并进行求解。施加载荷是进行有限元分析的关键一步，可以直接对实体模型施加载荷，也可对网格划分之后的有限元模型施加载荷。在ANSYS中对模型施加载荷，可以使用多种方法，而且通过载荷步选项，可以控制求解过程中如何使用载荷。

a.加载：

以特性而言，载荷可分为6大类：自由度（DOF）约束、力（集中载荷）、表面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。

ANSYS软件提供了两种加载方式，即：将载荷施加于实体模型（关键点、线和面）上或有限元模型（节点和单元）上。

b.求解

载荷施加完成后即可进行有限元的求解。通常有限元求解的结果为：

①节点的自由度值——基本解。

②原始解的导出解——基本解。

Ansys软件提供了多种求解有限元方程的方法：直接解法、稀疏矩阵法、自动迭代法、条件共轭梯度法等多种方法。

5)静力学结构分析

静力分析是计算结构在固定不变的载荷作用下的响应。它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受时间变化的载荷时的情况。静力分析可以可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力的随时间变化载荷。静力分析可分为线性静力分析和非线性静力分析。

线性静力分析用于计算那些不包括惯性和阻尼效应的载荷结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。

静力分析中所施加的载荷主要包括：外部施加的作用力或压力；稳态的惯性力（如重力和离心力）；位移载荷；温度载荷。

求解静力分析的主要步骤为：

①选择分析类型Main Menu >Solution >New Analysis>Static

②施加载荷和边界条件并求解；

③结果分析和评价。

6）ANSYS动态分析

动态分析用来确定惯性（质量效应）和阻尼起重要作用时结构或构件的动力学特性。按照运动方程的求解形式的不同，动态分析可分为3种形式：即模态分析、瞬时动态分析和谐波响应分析。

a.模态分析

模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，同时也可以作为其他更详细的动态分析的起点，如瞬态分析和谐波响应分析等。

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括固有频率、振型、振型参与系数等。模态分析假定结构是线性的，任何非线性特性即使定义了也将被忽略。模态分析的过程有以下4个步骤组成：

①建模；

②选择分析类型和分析选项；

③施加边界条件并求解；

④评价结果。

b.瞬态分析

瞬时动态分析是确定随时间变化载荷（如爆炸）作用下结构响应的技术。它需要输入一个作为时间函数的体载荷，可以输出随时间变化的位移和其他的导出量，如应力和应变

等。瞬态分析可以应用在以下设计中：承受各种冲击载荷的结构、承受各种随时间变化载荷的结构、承受撞击和颠簸的家庭和办公设备。

瞬态分析主要由以下几步组成：

①建模；

②选择分析类型；

③定义边界条件和初始条件；

④施加时间历程载荷并求解；

⑤查看结果。

c.谐波响应分析

为了确保结构能够经受住各种不同频率的正弦体载荷，探测共振响应，并在必要时避免其发生，就需要进行谐波响应分析。在ANSYS软件中谐波响应分析主要可采用三种方法进行求解计算，即Full（完全法）、Reduced（缩减法）和Mode Superposition（模态叠加法）。

谐波响应分析的基本步骤有：

①建模；

②选择分析类型及选项；

③施加体载荷并求解；

④查看结果。

B.对MEMS CAD课程的认识与体会

通过这一学期的学习，我对ansys软件的使用有了一定的认识，对MEMS CAD有了一定的了解，对利用ansys分析具体问题的基本步骤和方法有了一定的了解。

在ansys使用过程中遇到的一些问题：

1)往往会搞不清关键点（keypoint）、节点(node)、元素(element)等的意思。关键点不同于节点，关键点往往是为建立一个模型而设的点，如圆弧的圆心、线段的端点等。对于一些简单的构件，可以通过定义材料属性，直接定义节点或元素；但对一些如面、体等模型，节点往往是在建立几何模型后，经过网格划分而成的。如对“面”而言，元素就是划分网格后的四边形或者三角形。

2)在学习时，还要熟悉模型各种线(lines)、面(areas)、体(volumes)、节点(nodes)、元素(elements)等的显示(plot)，显示命令由plot和plotctrl来控制。路径为(Utility Menu->plot，Utility Menu ->plotctrl)。在建立模型时，通过两个点建立一条线，但滚动鼠标后可能发现线不见了，此时可以通过Utility Menu>plot>lines来显示线。这些操作在练习过程中可能会经常遇到的。

3）注意保存。建模过程中，往往会出现一些错误或者不可预测的操作，因为不像CAD 里一样画错了能后退，所以此时就要save，发现错误之后，点resume就可以回复到你点save时的那一步操作了。还可以通过file>save as…另存.db文件(注意取个好记的文件

名)。

4）注意建模单位。各个模型要求的尺寸都是不一样的，一般尺寸的单位都是um，所以在建模之前要先设定好单位。ANSYS软件没有为系统指定唯一单位，因此我们可以根据自己的习惯和需要使用国际单位制或者工程单位制。如果单位不清楚或不一致会影响求解分析，导致结果错误或者精确度低等问题。

5）注意单元类型选择。在有限元分析过程中，对于不同的问题就需要不同的单元类型，在有限元分析之前选择和定义适合自己问题的单元类型是十分必要的，如果单元类型选择不当，会直接影响到计算能否继续和结果的精确度及准确度。

6）注意材料参数的设定。材料参数的单位要与模型单位一致，不一致也同样会影响到计算和结果。

7）在进行模型分析的时候，要注意施加约束和载荷的正确性，模态分析时注意上限频率设定的大一些，避免太低求解不了。

通过这学期得ANSYS学习，我初步掌握了使用ANSYS的基本方法和基本步骤，清晰地掌握了ANSYS的设计思路，已经能独立完成建模、求解和分析等过程。

加速度传感器传感器课程设计

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 压电加速度 传感器 电荷放大器 信号处理电 路 A/D 转 换电路 图1 压电加速度测量系统结构框图

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 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 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 图2 压电式加速度计的幅频特性曲线 3 2 1 4 1—等强度梁；2—质量块；3—壳体； 4—电阻应变敏感元体 图3 应变式加速度传感器结构

MEMS_CAD_高量程加速度传感器的设计与仿真

平时上课出勤及表现（20%）实验课出勤/实验结果检 查/实验报告/期中测试 （30%） 课程结业试题 理论/设计/总结报告 （50%） 课程最终 成绩 上面表格为该课程最终成绩记入方法。 2010/2011学年第2学期 《MEMS CAD》课程结业试题 学院：电子与计算机科学技术学院 班级及学号： 姓名： 本结业试题包括： 一、理论部分； 二、综合设计实验部分； 三、本课程主要内容总结报告。 理论试题部分（40分）综合设计实验仿真部分 （40分） 课程总结报告 （20分） 总分 提交截止时间：2011年5月5日中午12：00点。 任课教师： 2011-4-12

实验一：高量程加速度传感器的设计与仿真 （a ）正视图 （b ）俯视图 图1 高量程加速度传感器结构 图2 结构截面图及参数说明 题意：上图为一高g 值加速度传感器结构示意图，四端固支梁岛结构截面图如图2所示，各结构参数定义如下： 梁长1a ； 梁宽2a ； 梁厚1h ； KOH 腐蚀深度2h ； KOH 腐蚀形成<111>与<100>的夹角θ，54.74θ= ； 质量块长/宽2a ； 质量块厚H ，12H h h =+； 质量块下表面边长s ，222(/tan )s a h θ=-； 梁 质量块 边框 长度 （a1） 宽度 （a2） 厚度 （h1） 顶部 长度/宽度 （a2） 底部 长度/宽度 （s ） 厚度 （H ） 顶部 宽度 （c1） 底部 宽度 （c2） 结构整体 长度/宽度 尺寸 （μm ） 600 1050 80 1050 598 395 800 577 3850 单晶硅的材料参数 参数 ρ（Kg/um 3） EX （N*um -2） PRXY 硅 2．33*10-15 1.7*105 0.3 求解： 1）建立高g 值传感器模型； ------------（10分）

力平衡加速度传感器原理设计t

力平衡加速度传感器原理设计 摘要：本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上，采用差动电容结构，利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化，将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。 关键词：加速度差容式力平衡传感器 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，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百 MΩ，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小。 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，所以工作时，一般动极片不能在

微加速度传感器的研究现状及发展趋势

微加速度传感器的研究现状及发展趋势 摘要：介绍了为加速度传感器的研究现状、基本原理及其分类和发展趋势。重点论述了为加速度传感器的特点和它在民用领域和军用领域的不同应用，并对微加速度传感器领域内一些新的进展进行了讨论，指出了微加速度传感器的发展趋势。 关键词：MEMS 微加速度传感器 应用 发展趋势 Research and Development of Microaccelerometer Abstract：The research situation, the basic principle,classification and its development trend of acceleration sensor are introduced.The characteristics and application in civil areas and military field are discussesed, and some new progress to the micro acceleration sensor field are discussed.The development trend of micro acceleration sensor is proposed. Keywords：MEMS Micro acceleration sensor Applications Development trend 0前言 20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。 加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 这种状况直到微机械加速度计(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的问世才发生了改变。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。 当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。 1微加速度传感器概述及发展现状 1.1微加速度传感器的工作原理 MEMS加速度传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，在单晶硅片上制造出来的微机电系统，包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。微加速度传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律，其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动，进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS微加速度传感器与非MEMS为加速度传感器相比，其体积和价格可减少几个数量级，对国防具有重大战略意义。基于MEMS加速度传感器建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。

加速度传感器的选择

加速度传感器选型 压电加速度传感器因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。在一般通用振动测量时，用户主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构、内置电路型与纯压电型的区别，现场环境与后续仪器配置等。 一、灵敏度的选择 制造商在产品介绍或说明书中一般都给出传感器的灵敏度和参考量程范围，目的是让用户在选择不同灵敏度的加速度传感器时能方便地选出合适的产品，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度传感器自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压。 估算方法：最大被测加速度×传感器电荷（电压）灵敏度，其数值是否超过配套仪器的最大输入电荷（电压）值。建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、质量允许的情况下，尽量选择高灵敏度的传感器，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。在兼顾频响、质量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：以电荷输出型压电加速度传感器为例： 1、土木工程和超大型机械结构的振动在0.1g-10g (1g=9.81m/s2)左右，可选电荷灵敏度在300pC/ms-2～ 30pC/ms-2的压电加速度传感器，属于电荷输出型压电加速度传感器 2、特殊的土木结构（如桩基）和机械设备的振动在100ms-2～1000ms-2，可选择20pC/ms-2～2pC/ms-2的加速度传感器。 3、冲击，碰撞测量量程一般10000ms-2～1000000ms-2，可选则传感器灵敏度是0.2pC/ms-2～ 0.002pC/ms-2的加速度传感器。 二、频率选择 制造商给出的加速度传感器的频响曲线是用螺钉刚性连接安装的。 一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率是按灵敏度偏差给出的，有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用的，但也有特例，如轴承故障检测。选择加速度传感器的频率范围应高于被测试件的振动频率。有倍频分析要求的加速度传感器频率响应应更高。土木工程一般是低频振动，加速度传感器频率响应范围可选择0.2Hz～1kHz，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估算振动频率，选择0.5Hz～ 5kHz 的加速度传感器。如发电机转速在3000rms 时，除以60s 此时它的主频率为50Hz。碰撞、冲击测量高频居多。 加速度传感器的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)。 安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。我们给出同一只AD500S 加速度传感器不同安装方式的使用频率：螺钉刚性连接（±10%误差）10kHz；环氧胶或“502”粘接安装6kHz；磁力吸座安装 2kHz；双面胶安装1kHz。由此可见，安装方式的不同对测试频率的响应影响很大，应注意选择。加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，质量大，使用频率低，这也是选择的技巧。 三、内部结构 内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式。有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。 中心压缩型频响高于剪切型，剪切型对环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所获得的信号波动小，稳定性好。 四、内置电路 内置的概念是将放大电路置于加速度传感器内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)和单电源(二线、带偏置，又称ICP) 两种，下面所指内装电路专指ICP

加速度传感器在汽车领域的应用

Endevco （恩德福克）加速度传感器在汽车领域的应用 近30年来，Endevco 的压阻式加速度传感器已成为汽车障碍物及模拟假人安全性测试的行业标准。Endevco 的压电式，集成压电式和可变电容式加速度传感器能够用于汽车发动机，排气系统，部件和停车系统的动态测试是基于它尺寸微小，耐高温及结构牢固的特点。Endevco 压力传感器主要是用于防刹车锁死系统（ABS ），传动装置，燃料油系统以及安全气囊充气器等汽车检测系统的测试。这些压力传感器运用了先进的硅微技术元件并能产生高宽频响和高信号输出，从而使其成为那些过去由于尺寸原因而无法实现应用的理想选择。 Endevco 加速度传感器是有国家公路交通安全管理局（NHTSA ）和其他政府机构认定的用于制定原厂规格的首要产品。同时继续提供技术指导，Endevco 的碰撞传感器已经达到或超过了SAE 规格的J211和J2579的要求。 Model 7264系列是一组重量只有1g 的压阻式加速度传感器。用于颤振试验，模型检验，生物动态测试及其他相关领域，要求低质量加载且宽频率响应。还可以用于轻量级物件的冲击测试，符合模拟假人测试SAEJ211规格。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择 Model 7264B 相对Model 7264有所改进。它利用了一个先进的带有完整机 械限动气的微型元件。这个单片传感器相对原来的设计提供了更加良好的坚固性，稳定性和可靠性。Model 7264B 阻尼极小，因此在有效频率范围内不会产生相位移。Model 7264B 符合SAEJ211冲击试验性能规格和SAEJ2570假人测试装置传感器规格。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择。 Model 7264C 相对Model 7264有所改进。并可直接替换Model 7264，因为测 震质量的中心位置是相同的。它利用了一个先进的带有完整机械限动器的微型元件。Model 7264C 同样符合SAEJ211冲击试验性能和SAEJ2570假人测试装置传感器规格。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择。 Model 7264D 相对这个类型的其他型号的传感器做了很大的改进。它大于 40000HZ 的高谐振频率可以使其在不受杂散影响的情况下对许多频率作出响应。可直接替换Model 7264和Model 7264C ，因为测震质量的中心位置是相同的。Model 7264D 同样符合SAEJ211冲击试验性能和SAEJ2570假人测试装置传感器规格。Model 7264D 可提供优良的线性，标准低横向灵敏度和低零测量输出（ZMO ）误差。有各种线缆和连接器供选择。 Model 7231C-750是一款专为汽车碰撞试验研究的坚固，无阻尼，中等g 值的压阻式加速度传感器。已经成为假人响应研究的FMVSS208标准，可用来测量假人头部、胸部 、臀部及身体其他部位的加速度进而研究车辆安全性能及约束设计。高精度的型号及各种线缆和连接器可供选择。 Model 7265A 系列是一组低质量的压阻式加速度传感器，它是专为那些要求 G&P Technology 冠标科技有限公司 Endevco

微加速度传感器概述_微机电系统设计学

《微机电系统设计学》读书报告 ——微加速度传感器概述查阅资料前，预计要解决的问题： 1)微加速度传感器的产生 2)微加速度传感器相比于传统传感器存在的优势 3)微加速度传感器工作原理 4)微加速度传感器主要有哪些类型，不同类型的特点 5)不同类型的微加速度传感器大致结构和工作机制 6)微加速度传感器主要应用及其发展趋势和前景 7)国内外微加速度传感器的发展 查阅的主要书籍及论文如下： 1.刘昶等微机电系统基础[M] 北京：机械工业出版社，2007 2.李德胜等MEMS技术及其应用[M] 黑龙江: 哈尔滨工业大学出版社，2002 3.傅建中等微系统原理与技术[M] 北京：机械工业出版社，2005 4.刘好等微加速度传感器的研究现状及发展趋势[J] 光学精密工程2004,12(3)： 81-86 5.李圣怡等微加速度计研究的进展[J] 国防科技大学学报2006（04）：34-37 针对预期解决的问题，对查阅的资料进行整理。 一、微加速度传感器概述 自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。 各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻、功能灵活、功耗小，以及成本低廉等特点。20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。美国AD公司、美国加州大学Berkeley分校(UCB)、德国Dresden大学、

曲面保护高量程加速度传感器阻尼特性研究

第33卷第9期 光电工程 Vol.33, No.9 2006年9月 Opto-Electronic Engineering Sep, 2006文章编号1003－501X(2006)09－0138－07 曲面保护高量程加速度传感器阻尼特性研究 杨尊先1李昕欣2于映1 ( 1. 福州大学电子科学与应用物理系, 福建福州 350002 2. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室上海 200050 ) 摘要利用有限元模拟方法对一种高量程MEMS加速度计进行10万g正弦加速度脉冲下的动 态冲击响应分析首先建立适用于该器件曲面阻尼的分段近似叠加理论模型随后采用ANSYS 有限元模拟技术分别研究器件阻尼带隙宽度及其阻尼介质特性对器件动态冲击响应特性的影响 器件动态冲击响应实际上是受迫振动与传感器悬臂梁固有频率振动的叠加当阻尼带隙较小时 输出结果表现为冲击载荷下的受迫振动响应随着阻尼带隙变宽悬臂梁固有频率振动渐突显 响应峰值电压也近线性增加而峰值电压所对应时间则非线性减小在其它条件相同情况下阻 尼介质粘滞系数越大响应输出曲线越光滑但其峰值电压也相应越低在空气阻尼介质中过 载保护曲面的平移距离控制在0.50.65μm范围内以获取较好的动态响应效果 关键词高g加速度传感器压膜阻尼曲面过载保护冲击响应 中图分类号TP212 文献标识码 A Damping characteristics of a high g accelerometer with curved stop protection YANG ZUN-xian1LI XIN-xin2YU Ying1 ( 1. Department of Electronics Science and Applied Physics, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China; 2. Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China ) Abstract The dynamic response of a piezoresistive high g’s Micro Electromechanical System (MEMS) accelerometer under a sine pulse of acceleration with 100,000 g’s peak was simulated by using Finite Element Method (FEM). Firstly, a multi-segments-plates-approximate model of curved surface damping suitable for this component was established. Subsequently, the effects of damping gap width and the characteristics of damping media on the dynamic shock response of component was studied with ANSYS FEM technology. Results show that the dynamic responses of component were in fact the superposition of the forced vibration with dynamic shock and vibration of cantilever in its inherent frequency. When the damping gap width was very small, output result behaved as the forced vibration under dynamic shock. With the increase of damping gap width, the vibration of cantilever became more outstanding and the peak output voltage increased linearly while the time corresponding to the peak output voltage decreased nonlinearly. Under the same conditions, with higher viscosity coefficient of damping media, the output response curve became smoother, besides the peak voltage became lower. 收稿日期2006－03－15收到修改稿日期2006－06－27 基金项目国家自然科学基金项目(60376038)福建省自然科学基金项目(A0510011)福州大学科技发展基金(2005-XQ-26)和福建省教育厅科技项目(JB05068) 作者简介杨尊先(1973-)男(汉族)湖北人博士讲师主要研究工作是微纳器件及材料E-mail: yangzunxian@https://www.wendangku.net/doc/0c15237977.html, 万方数据

应变片式加速度传感器设计

应变片式加速度传感器设计

应变片式加速度传感器 姓名： 学号： 院（系）：电气工程学院 专业名称：电气工程及其自动化班级：电气2（专升本）

2015年5月20日 说明书摘要 通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。其结构由（1）惯性质量块（2）应变量 (3) 硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块组成。应变片式加速度传感器通过敏感栅将低频运动物体的加速度转化为应变片的应变，引起电桥桥臂电阻的变化，经过温度补偿、放大后输出加速度信号。其特点为应变片式加速度传感器具有体积小、低功耗、结构简单、抗干扰能力强、运行稳定、经济性好。 1

权利要求书 1、通过应变片感应加速度的变化，并把应变片接到直流电桥中，通过电阻的变化引起直流电桥电压的变化，再将电桥输出的电压通过逻辑电路放大输出，然后将输出的电压信号送到控制中心，从而达到对加速度进行实时监控的目的。其结构由（1）惯性质量块（2）应变量 (3 )硅油阻尼液 (4)应变片 (5)温度补偿电阻 (6)绝缘套管 (7)接线柱 (8)电缆 (9)压线柱 (10)壳体 (11)限位块组成。电桥采用直流12V电源供电，采用稳压的直流电源供电，运放器采用双电源供电，电源电压为±12V。 2、加速度传感器的敏感轴检测输入加速度，并将其作用转换为电阻应变片阻值的变化，通过变送电路，将这种变化转换为对应的电压输出，从而达到测量加速度的目的。传感器的主要量程：±20g；输出：0～5V；零位输出：2.5V，用应变片测量的应变是通过测量敏感栅的电阻相对变化来得到。应变片灵敏度系数很小（K≈2），而机械应变一般在10με～3000με之间（有时也可达到6000με），电阻相对变化是很小的，需要采用差动电桥。当悬臂梁发生形变时，应变片的电阻值发生改变，全桥式布片应变引起应变片电阻的变化，从而达到测量振动加速度的目的。当悬臂梁受到加速度作用时，其自由端必将发生位移，通过计算得到加速度—电压的转换关系。

加速度传感器原理与应用简介

加速度传感器原理与应用简介 1、什么是加速度传感器 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、加速度传感器一般用在哪里 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IBM Thinkpad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、加速度传感器是如何工作的 线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。 ·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

加速度传感器原理以及选用

加速度传感器原理以及选用 什么是加速度传感器？ 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。 加速度传感器一般用在哪里？ 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IBM Thinkpad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。 加速度传感器是如何工作的？ 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是 "对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 "。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 在选购加速度传感器的时候，需要考虑什么？ 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BASIC Stamp，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。 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。 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。

常用加速度传感器有哪几种分类

1、常用加速度传感器有哪几种分类各有什么特点 答：加速度传感器按工作原理可分为压电式、压阻式和电容式。 压电式传感器是通过利用某些特殊的敏感芯体受振动加速度作用后会产生与之成正比的电荷信号的特性，来实现振动加速度的测量的，这种传感器一般都具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、结构简单坚固、受外界干扰小以及产生电荷信号不需要任何外界电源等优点，它最大的缺点是不能测量零频率信号。 压阻式传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥来实现测量加速度信号，这种传感器的频率测量范围和量程也很大，体积小重量轻，但是缺点也很明显，就是受温度影响较大，一般都需要进行温度补偿。 电容式传感器中一般有个可运动质量块与一个固定电极组成一个电容，当受加速度作用时，质量块与固定电极之间的间隙会发生变化，从而使电容值发生变化。它的优点很突出，灵敏度高、零频响应、受环境（尤其是温度）影响小等，缺点也同样突出，主要是输入输出非线形对应、量程很有限以及本身是高阻抗信号源，需后继电路给予改善。 相比之下，压电式传感器应用更为广泛一些，压阻式也有一定程度的应用，而电容式主要专用于低频测量。 2、压电式传感器又分哪几种 答：压电式传感器有多种分类方式。 按敏感芯体材料分为压电晶体（一般为石英）和压电陶瓷两类。压电陶瓷比压电晶体的压电系数要高，而且各项机电系数随温度时间等外界条件的变化相对较小，因此一般更常用的是压电陶瓷。 按敏感芯体结构形式分为压缩式、剪切式和弯曲变形梁式。压缩式结构最简单，价格便宜，但是不能有效排除各种干扰；剪切式受干扰影响最小，目前最为常用，但是制造工艺要求较高，所以价格偏高；弯曲变形梁式比较少见，其结构能够产生较大的电荷输出信号，但是测量频率范围较低，受温度影响易产生漂移，因此不推荐使用。 按信号输出的方式分为电荷输出式和低阻抗电压输出式（ICP）。电荷输出式直接输出高阻抗电荷信号，必须通过二次仪表转换成低阻抗电压读取，而高阻抗电荷信号较容易受干扰，所以对测试环境、连接线缆等的要求较高； 而ICP型传感器内部安装了前置放大器，直接转换成电压信号输出，所以相对有信号质量好、噪声小、抗干扰能力强、能实现远距离测量等优点，目前正逐步取代电荷输出式传感器。 3、选择压电式加速度传感器时有哪些基本原则 答：选择一般应用场合的压电式加速度传感器时，要从三个方面全面考虑： ①振动量值的大小②信号频率范围③测试现场环境。 作为一般的原则，灵敏度高的传感器量程范围小，反之灵敏度低的量程范围大，而且一般情况下，灵敏度越高，敏感芯体的质量块越大，其谐振频率也越低，如果谐振波叠加在被测信号上，会造成失真输出，因此选择时除

基于加速度传感器和单片机的毕业设计

目录 摘要 ..................................................................................................... III Abstract ................................................................................................ IV 第1章绪论 . (1) 1.1 课题背景 (1) 1.2 课题目的与意义 (2) 1.3 课题研究现状 (3) 1.4 本文主要容及结构安排 (5) 第2章硬件设计 (6) 2.1 硬件器件的选择 (6) 2.1.1 SPCE061A单片机 (6) 2.1.2 MMA7260QT三轴加速度传感器 (10) 2.2 系统电路的连接 (11) 2.3单片机控制单元的硬件设计 (13) 2.3.1 输入/输出控制单元设计 (13) 2.3.2 模拟数字转换设计 (16) 2.3.3 DAC方式音频输出设计 (23) 2.4 传感器控制单元设计 (24) 2.5 本章小结 (26) 第3章软件设计 (27) 3.1 软件系统的开发设计 (27) 3.2 音频设计 (29) 3.2.1 音频处理方案 (29) 3.2.2 语音自动播放函数设计 (30) 3.2.3 语音文件压缩设计 (33) 3.3 I/O接口及A/D转换设计 (34) 3.3.1 I/O接口设计 (34) 3.3.2 A/D转换设计 (34) 3.4 主程序设计 (36)

3.5 本章小结 (40) 结论 (41) 参考文献 (43) 致 (45) 附录一： (46) 附录二： (64)

MEMS加速度传感器简介(最终版)

MEMS电容式加速度传感器 学校：哈尔滨工业大学（威海） 学院：信息与电气工程学院 专业：电子科学与技术 作者：胡诣哲090260207 纪鹏飞090260208

摘要 本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。 关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455 Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb. Different structures have their own advantages. We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications. Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA7455

一、引言 1.1 MEMS 加速度传感器简介 MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS 技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS 传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。 MEMS 加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。本文主要介绍MEMS 电容加速度传感器。 二、传感器工作原理与常见结构 2.1 MEMS 电容式加速度传感器工作原理 电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。 如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d 0形成两个大小为C 0的串联的电容。 当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d 发生变化。根据平行板电容的计算公式： r S C d εε= 可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题： 0002 000 2r r r S S S C d d d d d d εεεεεε?= - = ?-?+? 上式在d d ?<<时成立。

高量程加速度传感器的灵敏度校准方法

图1校准装置原理框图收稿日期：2013-03-08修回日期：2013-04-11作者简介：赵耀霞（1979-），女，山西祁县人，硕士。研究方向：控制理论与控制工程。 摘要：高量程加速度传感器面向特殊被测对象，其灵敏度需作经常性校准。以霍普金森杆产生冲击加速度并由激光多普勒干涉仪进行测量，同时记录被校传感器的响应输出，进而实现高量程加速度传感器的灵敏度校准。分析了两种灵敏度指标的校准方法，对国产压电式加速度传感器的两种指标进行了校准，给出了校准结果并分析了其影响因素。 关键词：高量程加速度传感器，灵敏度，校准，霍普金森杆，激光多普勒干涉仪 中图分类号：TP212文献标识码：A 高量程加速度传感器的灵敏度校准方法 赵耀霞1，张艳双2，王代华1 （1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；2.衡水市医疗保险基金管理中心，河北衡水050001）Sensitivity Calibration Method for High-Range Accelerometer ZHAO Yao-xia 1，ZHANG Yan-shuang 2，WANG Dai-hua 1 （1.School of Information &Communication Engineering ，North University Of China ，Taiyuan 030051，China ； 2.Heng shui Medical insurance fund management Center ，Hengshui 050001，China ） Abstract ：High -range accelerometer is applied to sense special measurand ，and its sensitivity should be calibrated frequently.In this paper ，a Hopkinson bar is used to generate an acceleration which excites a high -range accelerometer ，and the response of the accelerometer is recorded simultaneously.The generated acceleration and the recorded response are then used for the sensitivity calibration of the accelerometer.Two methods for the sensitivity calibration are analyzed ，and two piezoelectric accelerometers are calibrated by using the methods.The calibrated results are presented and the influencing factors are analyzed.Key words ： high-range accelerometer ，sensitivity ，calibration ，Hopkinson bar ，laser doppler interfer-ometer 引言高冲击过程的运动参数是兵器测试领域的一个 重要研究内容，而弹丸高速侵彻硬目标产生的加速 度则一直是该领域的研究热点，高量程加速度传感 器是组建测试系统必需的关键部件［1-3］。由于被测对 象特殊，高量程加速度传感器在恶劣环境下长时间 工作后，其灵敏度会发生较大变化，需进行经常性校 准。上世纪60年代以来，研究人员围绕高量程加速 度传感器的校准技术开展了大量研究工作，提出了 多种冲击校准的方法［4］。在这些方法当中，激光干涉 绝对法的校准原理较为成熟，代表了高量程加速度 传感器冲击校准技术的发展方向［5-7］。本文阐述了该 校准方法的基本原理，利用建立的校准装置对国产 压电式加速度传感器进行了灵敏度校准。 1校准原理高量程加速度传感器的灵敏度校准装置主要由霍普金森杆、差动式激光多普勒干涉仪以及后续记录仪表组成，如图1所示。其中，霍普金森杆主要 文章编号：1002-0640（2014）04-0171-03Vol.39，No.4 Apr ，2014 火力与指挥控制Fire Control &Command Control 第39卷第4期2014年4月 171··