加速度傳感器是一種慣性傳感器，一般由敏感元件、交換元件、測量電路三部分組成，可用如下框圖表示：
根據(jù)傳感器敏感元件和轉(zhuǎn)換原件的不同，加速度傳感器可以分為電容式、壓電式、光纖式、壓阻式等類型。
1.電容式加速度傳感器
電容式加速度傳感器可以將振動位移參量的變化轉(zhuǎn)變成為電容量的變化，其基本敏感機理比較簡單。如圖所示，上下極板為固定電容極板具有公共電極，中間質(zhì)量塊為可動電容極板。當有外界振動時可動極板跟隨振動，從而改變電容。上下電容同時改變，但是變化方向相反，稱為差動式。其特點是動態(tài)范圍較大，最大位移和最小位移之比可大，如果采用差動測量方法數(shù)值增大一倍，靈敏度高、響應(yīng)時間短、穩(wěn)定性好。因為結(jié)構(gòu)簡單，影響穩(wěn)定性的因素少、無內(nèi)部和外部的各種摩擦和接觸應(yīng)力誤差，對溫度變化的固有敏感性低。
電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
采用MEMS有關(guān)工藝制成的微加速度計，其敏感芯片的體積僅5 mill見方，和成人的小指甲蓋大小差不多，比采用精密機械加工成的加速度計小12個數(shù)量級。由于其質(zhì)量小，因此能承受高沖擊，實驗測試這種原理的微加速度計在不加電狀態(tài)下X、Y、Z三個方向至少可以承受數(shù)百乃至數(shù)千g以上的沖擊。
2.壓電加速度傳感器
壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，它是一種無源式傳感器，直接將機械能轉(zhuǎn)變成電能。壓電效應(yīng)分為正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。正向壓電效應(yīng)是指當晶體受到某固定方向外力作用時，相應(yīng)的在一定晶體表面產(chǎn)生電荷，當外力作用消失時，晶體表面的電荷也會隨著消失。當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變。晶體受力產(chǎn)生的電荷量與外力大小成正比。
逆向壓電效應(yīng)是指當某晶體沿一定方向受到電場作用時，相應(yīng)的在一定晶軸方向產(chǎn)生機械形變或機械應(yīng)力，當外加電場撤去后機械形變或機械應(yīng)力也消失。如圖所示的是利用壓電效應(yīng)的壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖：
壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
中心壓縮型壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，相同質(zhì)量情況下能得到較高的固有頻率，成本較低，壓電元件一般由兩片組成。在剪切型壓電傳感器中，平面剪切型結(jié)構(gòu)能承受相對較高的沖擊加速度，中心柱、壓電元件和質(zhì)量塊均做成平板形，左右壓電元件通過橫向螺栓固緊在中心立柱上。與中心壓縮型相比，剪切型結(jié)構(gòu)對非振動因素具有較好的隔離性，具有更好的靜態(tài)特性，更高的信噪比和寬的高低頻特性。在剪切型結(jié)構(gòu)中，壓電片受剪切力，高沖擊產(chǎn)生的剪切力較大，這就需要有較大的橫向預(yù)緊力，這對壓電片和預(yù)緊螺桿螺母的強度要求很高，其抗沖擊能力和頻響沒有中心壓縮型的好。
3.壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器主要由3個部分組成：1. 帶質(zhì)量塊的懸臂梁彈性元件，可將所要測試的加速度轉(zhuǎn)換成機械變形量（如應(yīng)力、應(yīng)變）；2. 力敏原件，常用的是硅微固態(tài)壓阻平膜芯片，通過玻璃粉燒結(jié)工藝封裝在彈性元件的最大應(yīng)力集中處，當有加速度作用時，彈性元件的最大機械變形量就通過平膜芯片的壓阻效應(yīng)轉(zhuǎn)化為惠斯登電橋的電阻變化量，并在一定的電源激勵下，實現(xiàn)對加速度的測量；3. 具有過載保護功能的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。如下圖所示：
壓阻式加速度傳感器示意圖
實際常用的三軸加速度傳感器如下圖所示，4個相互垂直的單端固支硅懸臂梁支撐著中間的可動質(zhì)量懸塊,用來檢測3個方向的加速度;底部的PYREX玻璃基底提供加速度傳感器的高過載限位保護。壓敏電阻分布在4個懸臂梁上,將各電阻連接可以分別構(gòu)成檢測3個垂直方向加速度的惠斯通電橋。當傳感器受到外界加速度a時, 質(zhì)量塊m 會把加速度轉(zhuǎn)化為慣性力F = m a , 使懸臂梁發(fā)生形變,產(chǎn)生應(yīng)力變化,導(dǎo)致壓敏電阻的阻值發(fā)生變化,最后由惠斯通電橋輸出相應(yīng)電壓的變化。
三軸加速度傳感器示意圖
