2024年3月28日发(作者：)
加速度传感器工作原理 - 传感器
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。
只需要用试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、牢靠性高、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、牢固耐用、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。虽然压电式加速度传感器的结构简洁，商业化使用历
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史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺亲密相关，
因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和全
都性差别格外大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速
度传感器不能测量零频率的信号。
压电式加速传感器的结构如图
压电式加速传感器的结构如图所示。在两块表面镀银的压电晶
片(石英晶体或压电 陶瓷)间夹1片金属薄片，并引出输出信号的引
线。在压电晶片上放置1块质量块，并用硬弹 簧对压电元件施加预
压缩载荷。静态预载荷的大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可
能 承受的最大动应力。这样，当传感器向上运动时，质量块产生的
惯性力使压电元件上的压应力 增加；反之，当传感器向下运动时，
压电元件的压应力减小，从而输出与加速度成正比例的电 信号。
传感器整个组件装在一个原基座上，并用金属壳体加以封罩。为
了隔离试件的任何应变 传递到压电元件上去，基座尺寸较大。测试
时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感
器的谐振频率时，传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比，
经 电荷放大器或电压放大器即可测出加速度。
应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测
量电桥，其结构动态模型仍旧是弹簧质量系统。现代微加工制造技术
的进展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的机敏性以适合各种不
同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，
到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻
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式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频
率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器
的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大
机敏性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于
压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，
有用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的
压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯
体制造成本将远高于压电型加速度传感器。
电容型加速度传感器的结构形式一般也接受弹簧质量系统。当质
量受加速度作用运动而转变质量块与固定电极之间的间隙进而使电
容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏
度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；
但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的
电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的
输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度
传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且
成本也比压电式加速度传感器高得多。
加速度传感器可应用在把握，手柄振动和摇摆，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平安保卫振动侦察上。
目前，大部分设备都供应了可以检测各个方向的加速度传感器。
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以iOS设备为例，我们利用了其三轴加速度传感器（x,y,z轴代表方
向如图）的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变
化。
三轴加速度传感器示意图
用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性
变化，如图所示。在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，
垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后连续向前，重心下移两脚
触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。
反映到图表中，可以看到，在步行运动中，垂直和前进产生的
加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，
垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速
度阀值决策，即可实时计算用户运动的步数，还可依此进一步估算用
户步行距离。
计步的合理算法
由于用户在运动中可能用手平持设备，或者将设备置于口袋中。
所以，设备的放置方向不定。为此，通过计算三个加速度的矢量长度，
我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。
其次步是峰值检测，我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过
矢量长度的变化，可以推断目前加速度的方向，并和上一次保存的加
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速度方向进行比较。假如是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步
规律进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加，可得到用户步行
的步伐。
最终，就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，
或是我们俗称的手抖，或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动
设备来模拟人走路，这些干扰数据假如不剔除，会影响记步的精确
值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上阀值和步频推断来过滤。
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