加速度传感器

基本定义与组成

加速度是表征单位时间内速度改变程度的矢量，单位为 $\mathrm{m}\mathrm{/}{\mathrm{s}}^2$，方向与速度变化量方向相同，也与合外力方向相同。加速度传感器（加速度计）是能够测量加速度的传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和信号调理电路等部分组成。其基本测量依据是牛顿第二定律：加速过程中质量块受到惯性力 $F=ma$，其中 $m$ 为质量块质量（kg），$a$ 为加速度（$\mathrm{m}\mathrm{/}{\mathrm{s}}^2$），$F$ 为惯性力（N）。通过测量该惯性力或它引起的位移、形变，即可获得加速度值。

电阻应变式加速度传感器

结构由基座、悬臂梁（应变梁）和质量块组成，悬臂梁可由单晶硅制成，其根部两面扩散有四个电阻；在另一种剖面结构中，采用等强度梁、质量块、壳体和电阻应变片，电阻应变片贴附于梁上。工作原理为：质量块受加速度作用产生惯性力，使悬臂梁发生变形，梁根部的四个电阻值随之变化，四个电阻接入电桥，电桥输出与加速度成比例的输出电压。该结构在低频（10~60 Hz）振动测量中应用广泛；其可用频带由质量块-弹性梁结构、阻尼和读出电路共同决定，10~60 Hz 只是典型低频示例，不能据此普遍排除所有高频或冲击测量。

压电式加速度传感器

压缩式压电加速度传感器由壳体、弹簧、质量块、压电片、输出端及基座组成。当传感器感受振动时，质量块受到与加速度方向相反的惯性力作用，该力正比于加速度并施加在压电片上；利用压电效应，压电片表面产生交变电荷。在振动频率远低于传感器固有频率的条件下，输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件加速度成正比。压电式加速度计测量动态范围大、频率范围宽、受外界干扰小。

电容式加速度传感器

MEMS 电容式加速度计采用质量块与两侧固定极板的结构。静止时，中间质量块与两侧固定极板间距均为 $d$；当设备倾斜或加速时，质量块发生位移 $x$，导致两侧间距分别变为 $d-x$ 和 $d+x$，通过电容变化感知加速度。电容式加速度计灵敏度高、测量误差小，适合低量程加速度；其量程由结构、极板间隙、力反馈和具体设计决定，100g 只是低量程应用的常见示例，不是该类型的通用上限。

霍尔式加速度传感器

结构包括磁体（固定于外壳）、质量块（M）、弹性悬臂梁和霍尔元件（H），霍尔元件位于磁体之间。当外壳受力产生加速度时，质量块因惯性产生相对位移，导致悬臂梁弯曲，使霍尔元件在非均匀磁场中发生位移，最终引起霍尔电势 $U_H$ 变化。该结构具有较高灵敏度和线性度，适用于土木工程原型等场合。

其他类型与共同规律

电感式加速度计利用差动变压器法，质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器的输出与加速度近似成线性关系，适合低量程加速度。光纤法基于光的干涉原理，传感光纤受质量块惯性力的作用导致通过它的光信号产生相位变化，相位变化量反映被测加速度大小，动态范围宽、精度高。热感式以可移动的热对流小气团充当重力块，通过测量由加速度引起的内部温度变化来测量加速度，抗冲击能力强、制造成本低，应用于小量程（$-10g\sim 10g$）。

从运动量测量的一般流程看：力、压力通过弹性形变，加速度通过质量块惯性，均转化为位移；位移再导致敏感元件形变（对应电阻、压电效应）或相对位置变化（对应电容、电感效应），最终转换为电信号。

频率条件与适用范围

加速度传感器输出低频信号时，土木工程原型和超大型机械结构的振动加速度在 $0.1g\sim 10g$，可选择频率响应 0.2 Hz~1 kHz；机械设备的振动加速度在 $10g\sim 100g$，输出中频段可选择频率响应 0.5 Hz~5 kHz；冲击的加速度在 $100g$ 以上且高频居多。压电式加速度计的输出正比于加速度的条件是振动频率远低于传感器固有频率。电阻应变式加速度传感器适用于低频（10~60 Hz）振动测量；其可用频带由质量块-弹性梁结构、阻尼和读出电路共同决定，10~60 Hz 只是典型低频示例，不能据此普遍排除所有高频或冲击测量。