第三节　加速度传感器

具有ABS、ASR、ESP的汽车，除了车轮转速传感器外都装有加速度传感器，用以测量汽车行驶时的纵向和横向加速度。另外，为了保持汽车行驶舒适性，也需要测量垂直加速度，用于控制汽车的垂直振动。

一、加速度传感器的分类

加速度传感器有多种分类方式。例如按检测方式可以分为电容式加速度传感器、压阻式加速度传感器和压电式加速度传感器；按敏感轴数量可以分为单轴加速度传感器、双轴加速度传感器和三轴加速度传感器；按输出信号可以分为模拟式加速度传感器和数字式加速度传感器。

1.电容式加速度传感器

电容式加速度传感器是通过将电容的可动电极用运动的质量块来代替，当质量块在加速度的作用下发生位移时，质量块与固定极板间的电容量也随之发生变化，通过外围的检测电路即可测出这种电容的变化量，由此便可间接地测量出物体的加速度大小。典型的电容式加速度传感器的结构示意图如图2-5所示。

与其他类型的加速度传感器相比，电容式加速度传感器具有较高的灵敏度和测量精度、良好的稳定性、较小的温度漂移、极低的功耗等优点；但它也存在着工作带宽窄、信号处理电路复杂、抗电磁干扰能力差等缺点。

2.压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器是利用敏感材料的压阻效应制成的，当敏感材料在敏感轴方向受到压力的作用而发生形变时，敏感材料的电阻率也随之发生变化，该现象被称为压阻效应，利用该效应制成的加速度传感器被称为压阻式加速度传感器，如图2-6所示。

当质量块在材料敏感轴方向受到加速度作用而对敏感材料施加一定的压力，相应的敏感材料的电阻值就会发生变化，通过惠斯通电桥电路就可以对电阻值变化进行测量，以达到间接测量物体所受加速度大小的目的。

压阻式加速度传感器具有加工工艺简单、成本低、结构和输出电路简单、线性度好等优点；但同时也存在温度漂移过大、灵敏度较低的缺点。

3.压电式加速度传感器

压电式加速度传感器的结构与压阻式加速度传感器结构类似，只是将压阻材料替换为压电材料，以此来完成对物体所受加速度的测量。压电式加速度传感器的工作原理是应用敏感材料的压电效应，如图2-7所示。

当质量块在受到加速度作用以后，会对敏感材料产生一定的压力，这压力使得压电材料的表面积累一定量的电荷，通过外围放大电路可将这些电荷加以检测，由于输出电荷信号与物体所受的加速度大小成比例，因此便可达到测量物体所受加速度大小的目的。

压电式加速度传感器具有结构简单、稳定性好、耐高温、输出线性好等优点；但由于压电材料极化产生的是直流电荷，故在低频下进行压电测量时就变得很困难，而且很难对压电材料进行COMS工艺集成。

除上述三种应用最为广泛的加速度传感器之外，由于测量原理的不同，还有一些新型的加速度传感器也正在成为人们关注和研究的对象。

谐振式加速度传感器是通过作用在谐振器上的应力大小随着加速度的不同而发生变化，导致该谐振器频率也会相应的发生变化，以此来测量传感器所受到的加速度大小。此类传感器的优点是可以直接数字输出测量结果，测量精度高，但热激励源偶尔引起的热应力也会影响测量精度，而且结构复杂。

隧道电流式加速度传感器是通过质量块因加速度作用导致其尖端和衬底间的常电流发生变化，以此来测得输入加速度的大小。它具有极高的灵敏度、固有频率和测量精度，但在低频下却存在噪声。

光纤加速度传感器是利用因加速度导致光纤形变而引起反射光的强度、偏振面、光波长等随之改变的原理研制的。

电磁式加速度传感器是通过利用磁钢、铜环及线圈之间的相对振动来感生出与加速度成正比的电压信号，以此来完成对加速度的测量。

二、霍尔加速度传感器

霍尔加速度传感器结构示意图如图2-8所示，主要由霍尔传感器、永久磁体、弹簧、阻尼板等组成。图中，a为检测到的横向加速度；Φ为磁场；U0为供电电压；UH为霍尔电压；IW为阻尼板上的电流。

霍尔加速度传感器有一个竖放的带状弹簧，一端夹紧，另一端固定着永久磁体，以作为振动质量。在永久磁体上面是带有信号处理集成电路的霍尔传感器，在下面有一块铜阻尼板。如果传感器感受到横向加速度，则传感器的弹簧质量系统离开它的静止位置而偏移，偏移程度与加速度大小有关。运动的永久磁体在霍尔元件中产生霍尔电压，经过信号处理集成电路处理后输出信号电压，它随加速度增加而线性增加。加速度范围为±1g，传感器频率很低，只有几赫兹，并具有阻尼作用。

加速度传感器已被广泛应用于汽车电子领域，主要集中在车身操控、安全系统和导航，典型应用如汽车安全气囊、ABS、ASR、ESP、电控悬挂系统、导航等。

加速度传感器针对不同的应用场景，在特性上体现为不同的规格。用户需根据自身的具体需要选取最适合的产品。加速度传感器的选取还需要考虑满量程、灵敏度及解析度等元件的特性。满量程表示传感器可测量的最大值和最小值间的范围；灵敏度与模数转换器等级有关，是产生测量输出值的最小输入值；解析度则表示了输入参数最小增量。除此之外，模拟式加速度传感器输出值为电压，还需要在系统中添加模数转换器；数字式加速度传感器的接口芯片中已经集成了模数转换电路，可直接以SPI（串行外设接口）或I2C总线等实现数字传输。