湖南科技大学
课程设计
课程设计名称：《传感器/测控电路》课程设计学生姓名：杨振峰
学院：机电工程学院
专业及班级：测控技术与仪器二班
学号：1203030216
指导老师：余以道、杨书仪
2015年6月
目录
一.绪论 (1)
二.课程设计的任务与要求 (1)
三.课程设计的内容………………………
1.课程设计方案的确定
2.电位器式加速度传感器的基本原理
3.传感器结构设计及计算
4.测控电路的设计与计算
四.总结与分析……………………………
五.参考的文摘……………………………
一、前言
我国国家标准（GB 7665-1987）中传感器的定义是；“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的期间或装置”。信息技术已成为当今全球的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的核心部件。传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。
例如，化工产品自动生产，各种航天器上，生物工程、环境保护、灾情预报、生命科学等等每一项现代科学技术的研究以及人们的日常生活等，几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。因此，毫不夸张地说：没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。
作为当代理工科而且学习过传感器，测控电路知识的大学生，学习如何设计一个简单实用的传感器并掌握其设计思路是非常有必要的。
二、课程设计的任务与要求
1、传感器设计部分：
①根据被测量选择传感器的类型；
②根据被测量与电阻、电感、电容、电磁转换原理及压电、光电、热电
效应等，选择传感器的性能和结构参数；
③根据传感器敏感元件输出电量的类型设计转换电路和后续信号处理电
路。
2、传感器测控电路设计部分：
①将传感器敏感元件测量的物理量（如位移、加速度、温度、压力等）
转换成电信号（电压、电流或电荷量）；
②根据功能要求设计放大电路、滤波电路、调制解调电路、限幅电路等，提取有用信号，剔除无用信号；
③经过A/D 转换、运算处理得到被测信号的各种所需参数。
说明书及设计图的一些注意事项
1、设计题目及要求(需要注明传感器的设计参数)；
2、基本原理简述；
3、总体设计方案的确定；
4、传感器结构设计及计算，绘制相应的结构设计图（建议运用Autocad 软件）；
5、说明书编写；
6、参考文献。
三、课程设计的内容
.本次课程设计老师提供的课题有40多个，而我悬着的是电位器式加速度传感器，电位器式加速度传感器通过惯性质量块的惯性和片弹簧的应变感应加速度，引起位移变化，并连接到电位器上，通过引起电阻的变化使电桥的输出电压的变化的目的，在通过模数转换将电桥的电压变化显示出来，得出装置收到的外力是多少。
2.传感器的基本原理
惯性质量块在被测加速度的作用下，是片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，弹簧产生的弹力与质量块受到的力达到平衡就不会再产生位移，从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动导致，输出一个与加速度成正比的电压信号。本次设计测量加速度的范围g 10~0，允许的线性误差为%2~%1，输入电压为V 5 、所能响应的频率范围HZ 100~0。
传感器的结构图
电位器传感器的特点：结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表；其缺点是精度不高，动态响应较差，不适于测量快速变化量。
3.弹簧片的设计
当惯性质量块挤到弹簧片时，使弹簧的发生位移，直到弹力与外力达到平衡，
弹簧片的弹力与弹簧片的长、宽、高、厚度都有关系。W （弹簧片的弹力）、b （弹
簧片的宽度）、e 、δ（形变量）、L （弹簧片的形变量）、H （弹簧片的厚度）
)4()3(L E H b W ?÷???=δ
（1-1） 算经过设计综合考虑，弹簧片的b=6mm 、H=0.5mm 、e=20000kg/m 、L=22mm 弹簧片的最大形变量δ=5mm 。计一下所能提供的最大的弹力为：
N mm mm m kg mm mm W 04.7)
224()5/200005.16(=?÷???=
4.计算惯性质量块的质量
由结构图得知ma W =、a 的最大值为10g 所以g a W m 4.70100
04.7===
5.电位器的选择
（1）涂敷于基体表面而成，该工艺简单，是目前应用最广泛的电位器。特点是分辩力高耐磨性好，寿命较长。缺点是电流噪声，非线性大， 耐潮性以及阻值稳定性差。
（2）有机实心电位器：有机实心电位器是一种新型电位器，它是用加热塑压的方法，将有机电阻粉压在绝缘体的凹槽内。有机实心电位器与碳膜电位器相比具有耐热性好、功率大、可靠性高、耐磨性好的优点。但温度系数大、动噪声大、耐潮性能差、制造工艺复杂、阻值精度较差。在小型化、高可靠、高耐磨性的电子设备以及交、直流电路中用作调节电压、电流。
（3） 金属玻璃铀电位器：用丝网印刷法按照一定图形，将金属玻璃铀电阻浆料涂覆在陶瓷基体上，经高温烧结而成。特点是：阻值范围宽，耐热性好，过载能力强，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的电位器品种，缺点是接触电阻和电流噪声大。
（4 ）绕线电位器：绕线电位器是将康铜丝或镍铬合金丝作为电阻体，并把
它绕在绝缘骨架上制成。绕线电位器特点是接触电阻小，精度高，温度系数小，其缺点是分辨力差，阻值偏低，高频特性差。主要用作分压器、变阻器、仪器中调零和工作点等。
（5 ）金属膜电位器：金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。特点是分辩力高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。
（6）导电塑料电位器：平滑性好、分辩力优异耐磨性好、寿命长、动噪声小、可靠性极高、耐化学腐蚀。用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等。
（7）带开关的电位器：有旋转式开关电位器、推拉式开关电位器、推推开关式电位器
（8 ）预调式电位器：预调式电位器在电路中，一旦调试好，用蜡封住调节位置，在一般情况下不再调节。
（9）直滑式电位器：采用直滑方式改变电阻值。
（10）双连电位器：有异轴双连电位器和同轴双连电位器
（11）无触点电位器：无触点电位器消除了机械接触，寿命长、可靠性高，分光电式电位器、磁敏式电位器等。
根据综合上述的电位器，直滑式电位器更适合作为传感器电位器
直滑式电位器的简单结构如下：
图1 直滑式电位器
电位器的最大行程：10mm
阻值范围是：
~
k5
阻值的允许偏差：10%
额定功率：0.2W
零位电阻：0欧
接触电阻：0欧
绝缘电阻：0欧
阻值的变化方式：线性
输出电压Ux 与输入电压max U 的关系如下： max
max X X R Rx Uo Ux == （1-2） max
max X R Ku = （1-3） -Ku 为此电位器的灵敏度系数。
当输出端带负载R 它们有如下关系： 2
max max Rx Rx R R R RRx Ux ++= （1-4） 参考本设计允许的非线性误差计算： %100'
'
?-=Uo Uo Uo γ （1-5） 由于要求线性误差小于%2~%1=γ
所以)20~10(max Ω≥R
6.测控电路设计与计算
见附图测控电路图。图中RP1为电位器传感器，RP1滑动端输出电压经IC1A 构成的电压跟随器送到由IC1B 和IC1C 组成的电压比较器，分别输出行程上限和行程下限控制信号。
RP1滑动端输出电压为0~5V ，则IC1A 输出也为0~5V 电压。对于IC1C 来说，若实际行程小于下限行程（即V+
对于IC1B 来说，当实际行程小于上限(即V+>V-)时，输出的上限控制信号为5V ，当实际行程大于上限（即V+
根据所响应的频率设计滤波电路HZ 100~0。
四、总结与分析
通过为期两周的传感器与测控电路的课程设计，不仅巩固了所学的传感器与测控电路的相关知识，而且学会了如何将自己所学到的知识运用到实际设计与生活之中，还学到了许多关于设计的方法与思路。通过对课程设计中所遇到的难题以及疑惑之处的深入探究与解决，丰富了我们的课外知识，拓宽了我们的视野，更加提高了我们对实际问题的解决能力。
当然，首次进行传感器/测控电路设计的我们参考设计的传感器以及后续测控电路肯定存在许多缺陷和不足之处，而我们在设计过程中只能尽量避免出现不必要的误差与设计缺陷，而一个传感器真正投入生产还有很多试验改进过程，鉴于我们能力有限，只要我们在设计过程中学到如何设计，分析，怎样改进即可，这为以后我们真正设计新的传感器或者创新打下必要的基础！
最后，特别感谢在传感器/测控电路课程设计过程中给予我指导与帮助的杨书仪老师和余以道老师以及测二的同学们。
五、参考文献
[1] 康华光.电子技术基础高教出版社，2000．
[2] 唐文彦.传感器机械工业出版社，2006
[3] 张国雄,测控电路机械工业出版社，2011
[4] 张洪润,传感器技术大全北京航空航天大学出版社，2007
[5] 潘炼，传感器原理及应用电子工业出版社，2012
[6] 鲍丙豪，传感器手册化学工业出版社，2007
[7] 赵负图，集成电路手册化学工业出版社，2002
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
三轴加速度传感器原理及应用 2012年09月09日 12:42来源：本站整理作者：胡哥我要评论(0) 三轴加速度传感器原理 MEMS换能器（Transducer）可分为传感器（Sensor）和致动器（Actuator）两类。其中传感器会接受外界的传递的物理性输入，通过感测器转换为电子信号，再最终转换为可用的信息，如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等。其主要感应方式是对一些微小的物理量的变化进行测量，如电阻值、电容值、应力、形变、位移等，再通过电压信号来表示这些变化量。致动器则接受来自控制器的电子信号指令，做出其要求的反应动作，如光敏开关、MEMS显示器等。 目前的加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种，这三种技术各有其优缺点。以电容式3轴加速度计的技术原理为例。电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿（Silicon Fingers），一组固定，另一组随即运动物体移动；前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。 当运动物体出现变速运动而产生加速度时，其内部的电极位置发生变化，就会反映到电容值的变化（ΔC），该电容差值会传送给一颗接口芯片（InteRFace Chip）并由其输出电压值。因此3轴加速度传感器必然包含一个单纯的机械性MEMS传感器和一枚ASIC接口芯片两部分，前者内部有成群移动的电子，主要测量XY及Z轴的区域，后者则将电容值的变化转换为电压输出。 文中所述的传感器和ASIC接口芯片两部分都可以采用CMOS制程来生产，而在目前的实际生产制造中，由于二者实现技术上的差异，这两部分大都会通过不同的加工流程来生产，再最终封装整合到一起成为系统单封装芯片（SiP）。封装形式可采用堆叠（Stacked）或并排（Side-by-Side）。 手持设备设计的关键之一是尺寸的小巧。目前ST采用先进LGA封装的加速度传感器的尺寸仅有3 X 5 X 1mm，十分适合便携式移动设备的应用。但考虑到用户对尺寸可能提出的进一步需求，加速度传感器的设计要实现更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其检测与混合讯号单元也会朝向晶圆级封装（WLP）发展。 下一代产品的设计永远是ST关注的要点。就加速度传感器的发展而言，单芯片结构自然是
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
#include 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 概述： ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位）,测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0。的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能。 活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能 可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立 映射到两个中断输岀引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先岀（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。ADXL345采用3 mm X 5 mm x 1 mm，14引脚小型超薄塑料封装。 对比常用的飞思卡尔的MMZ7260三轴加速度传感器，ADXL345，具有测量精度高、可以通过SPI或I2C 直接和单片机通讯等优点。 特性： 超低功耗：VS= 2.5 V 时（典型值），测量模式下低至23uA， 待机模式下为0.1 g A功耗随带宽自动按比例变化 用户可选的分辨率10位固定分辨率全分辨率，分辨率随g范围提高而提高， ±16g时高达13位（在所有g范围内保持4 mg/LSB的比例系数） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理器负荷 降至最低。单振/双振检测，活动/非活动监控，自由落体检测 电源电压范围：2.0 V 至3.6 V I / O电压范围：1.7 V至VS SPI （3线和4线）和I2C数字接口 灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚 通过串行命令可选测量范围 通过串行命令可选带宽 宽温度范围（-40°C至+85 °C） 抗冲击能力：10,000 g 无铅/符合RoHS标准 小而薄：3 mn X 5 mm x 1 mm，LGA 封装 模组尺寸：23*18*11mm （高度含插针高度 应用： 机器人控制、运动检测 过程控制，电池供电系统 硬盘驱动器（HDD）保护，单电源数据采集系统 手机，医疗仪器，游戏和定点设备，工业仪器仪表，个人导航设备 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 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。 Three-axis acceleration sensor variable in capacitance under application of acceleration United States Patent 5383364 Abstract: An acceleration sensor comprises an upper semiconductor substrate having a rigid frame, four deformable beams connected with the rigid frame, and a weight portion supported by the plurality of deformable beams, a lower semiconductor substrate bonded to the rigid frame, a plurality of movable electrodes attached to the weight portion, and electrically isolated from one another, and a plurality of stationary electrodes attached to the second semiconductor substrate, and opposite to the plurality of movable electrodes for forming a plurality of variable capacitors, and the center of gravity of the weight portion is spaced from a common neutral surface of the four beams for allowing acceleration to produce bending moment exerted on the four beams, thereby causing the variable capacitors to independently change the capacitance. Inventors: Takahashi, Masaji (Tokyo, JP) Kondo, Yuji (Tokyo, JP) Application Number: 07/972537 Publication Date: 01/24/1995 Filing Date: 11/06/1992 Export Citation: Click for automatic bibliography generation Assignee: NEC Corporation (Tokyo, JP) Primary Class: 73/514.32 Other Classes: 73/514.34, 73/514.36, 361/280 International Classes: G01P15/125; G01P15/18; (IPC1-7): G01P15/125 Field of Search: 73/517R, 73/517AV, 73/517B, 361/280 View Patent Images: Download PDF 5383364 PDF help US Patent References: 5243861 Capacitive type semiconductor accelerometer 1993-09-14 Kloeck et al. 735/17R 5134881 Micro-machined accelerometer with composite material springs 1992-08-04 MMA7260 三轴加速度传感器使用手册 一、MMA7260QT的简介 MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。 二、特性： (1) 可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g) (2) 低功耗：500 μA (3) 休眠模式： 3 μA (4) 低压运行：2.2 V - 3.6 V (5) 6mm x 6mm x 1.45 mm的无引线四方扁平 (QFN) 封装； (6) 高灵敏度(800 mV/g @ 1.5g) (7) 快速开启 (8) 低通滤波器具备内部信号调理 (9) 设计稳定、防震能力强 (10) 无铅焊接 (11) 环保封装 (12) 成本低 三、典型应用: 三轴加速度传感器是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，典型互动应用中的加速度传感器可以用来对物体的姿态或者运动方向进行检测，比 如其中WII和iPhone中的经典应用。Nokia最新推出的手机N95利用内置的加速度传感器，让用户可以通过机身的摆动进行各种操作，包括主菜单操 作、图片浏览、切歌操作甚至进行游戏的控制等，非常全面，甚至超越了苹果 iPhone的动作感应功能的应用范畴。 基于Freescale公司MMA7260的这个三轴加速度传感器，对于普通的互动应用来讲应该是一个不错的选择， 可以用于摩托车和汽车防盗报警器，遥控航模，游戏手柄，跌倒探测，硬盘冲击保护，倾斜角度测量，电梯安全监控等需要测试加速度的地方。 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 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) 工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。常用单位为：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。 描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。 最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式。压电式加速度传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以成为最常用的振动测量传感器。 传感器的种类选择 ·压电式- 原理和特点 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。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，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一致性差别非常 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。 ·压阻式 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，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活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灵活性，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，实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。 ·电容式 电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改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。 三轴加速度传感器的步态识别系统 近年来随着微机电系统的发展，加速度传感器已经广泛应用于各个领域并拥有良好的发展前景。例如在智能家居、手势识别、步态识别、跌倒检测等领域，都可以通过加速度传感器实时获得行为数据从而判断出用户的行为情况。 目前许多智能手机都内置多种传感器，通过预装软件就能够获得较精确的原始数据。本文提出一种基于三轴加速度传感器，用智能手机采集用户数据，对数据进行处理及特征提取获得特征矩阵并分类识别的方法，有效地识别了站立、走、跑、跳四种动作。 人体动作识别处理过程主要包含数据采集、预处理、特征提取和分类器识别数据采集数据采集和发送模块安装在用户端，另一个数据接收模块接在电脑终端上。 由于我们制作的采集模块很轻、很小，所以方便佩戴。当用户运动时，三轴加速度传感器会将据采集并通过无线方式发送给电脑接收模块，再通过电脑上的软件部分对采集到的数据进行分析处理，将结果输出，显示用户的实时状态。 本文使用的加速度传感器数据来自于共计６０个样本。传感器统一佩戴于腰间。本文选取了其中一位采集者的数据用于主要分析研究，其余两位采集者的数据则用于验证由第一位采集者数据研究所得的结论，这样的做法既减小了数据处理的繁杂又能保证最终结果的准确性。预处理应用程序设置的采集时间间隔为０．１ｓ，对每一个动作的采集时间为２５ｓ。考虑到用户在采集数据一开始与将要结束时的动作 不平稳可能对数据带来较大影响，前２ｓ２ｓ采集的数据将被舍弃不予分析。因原始加速度信号一般都含有噪声，为了提高数据分析结果的准确性，通常在原始加速度信号进行特征提取前对其进行去躁、归一化、加窗等预处理。通过加窗处理，不仅规整了加速度信号的长度，而且方便研究人员按照需要选择适宜的信号长度，这样有利于后续的特征提取。 许多研究人员使所示。研究人员采集的加速度传感器信号由于采集者的动作力度不同造成加速度信号的幅度差异较大，这会对之后的分类识别造成负面影响，归一化技术可以调整加速度信号的幅度，按照一定的归一化算法可以使加速度信号的幅度限定在某一数值范围内，文献[２]在识别跑、站立、跳和走路这四种动作时对四种动作的加速度信号进行了归一化；文献[３]在进行手势识别时对手势动作的加速度信号进行了归一化处理。特征提取特征提取和选择模块的作用在于从加速度信号中提取出那些表征人体行为的特征向量，处于预处理模块和分类器模块之间，是人体行为识别过程中的一个重要环节，直接影响分类识别的效果。特征的提取方法具有多样性，对于不同的识别目的，研究人员会提取不同的特征，例如为了识别分类站立和跑步，研究人员通常会选取方差和标准差这类能够反映加速度信号变化大小的特征，而为了识别分类走路和跑步，研究人员通常会选取能量和均值这类能够反映加速度信号大小的特征。使用不同的特征表征行为会对分类识别效果产生不同的影响，因此寻找更加有效的特征一直是研宄人员关注的一个课题。通过查阅大量的文献，大致可以把加速度信 微机电系统设计与制造 到宿 到山顶 舍 ： 四点底但是 的是 是的上单 上单是的 目录 0 引言 (1) 1 人体运动模型 (2) 2 算法设计 (3) 3 硬件实现 (5) 4 结论 (6) 参考文献 (7) 基于加速度传感器LIS3DH 的计 步器设计 摘要：设计了一种基于微机电系统( MEMS) 加速度传感器LIS3DH 的计步器， 包括运动检测、数据处理和显示终端。数字输出加速度传感器LIS3DH 作为运动检测模块，检测人体运动时加速度变化; 数据处理模块对加速度信息进行处理，使用FFT 滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响，利用加速度变化的上升、下降区间实现计步功能。实验结果表明: 该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作稳定的特点，能够提供较高精度的计步功能。 关键词：微机电系统; 计步器; 加速度传感器; 高精度 0 引言 计步器是一种日常锻炼进度监控器，可以计算人们行走的步数，估计行走距离、消耗的卡路里，方便人们随时监控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。 早期的机械式计步器利用人走动时产生的振动触发机械开关检测步伐，虽然成本低，但是准确度和灵敏度都很低，体积较大，且不利于系统集成。随着MEMS 技术的发展，基于MEMS 技术的惯性传感器得到迅速发展，其具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特点，利用MEMS 加速度传感器设计的电子计步器，通过测量人体行走时的加速度信息，经过软件算法计算步伐，可以克服机械式计步器准确度和灵敏度低的缺点，可准确地检测步伐，同时还可以输出运动状态的实时数据，对运动数据进行采集和分析。 本文基于LIS3DH［1］加速度传感器设计了一种电子式计步器，该传感器是意法半导体( ST) 公司的三轴重力加速度传感器，可以精确测得人行走时的步态加速度信号，具有功耗低、精确度和灵敏度高的特点。 教你正确选择加速度传感器 加速度计因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便，受到广泛应用。用户作通用振动、冲击测量时，主要关心的技术指标为：灵敏度、频率范围，内部结构，现场环境和与后续仪器配置等。 1、灵敏度的选择 扬州晶明的产品介绍给出了参考量程范围，目的是让用户在众多不同灵敏度的加速度计中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计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的电荷/电压灵敏度，以上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、重量允许的情况下，灵敏度可考虑高些，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。 在兼顾频响、重量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：土木工程原型和超大型机械结构的振动在0.1g～10g左右，可选3000pC/g～300pC/g的加速度计，机械设备的振动在10g～100g左右，可选择20pC/g～200pC/g的加速度计，冲击可选0.1pC/g～20pC/g左右的加速度计。 2、频率选择 生产厂给出的频响曲线是用螺钉安装的，一般将曲线分成二段：谐振频率和使用频率。使用频率的给值是按灵敏度偏差给出，有10%、5%、3dB。谐振频率一般是避开不用，但也有特例，如轴承故障检测。 选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率，有倍频分析要求的加速度计频响应更高。土木工程是低频，加速度计可选择0.2Hz～1kHz左右，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计频率，选择0.5Hz～5kHz的加速度计。冲击测量高频居多。 加速度计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， 集成加速度传感器的软件设计 摘要 在加速度测试系统传统结构中，从传感器、温度偏移纠正电路、放大电路到数据采集各设备往往都是孤立的，不便于携带并受到测量空间的限制。本文介绍了一种利用单片机集成系统进行数据采集与传输的方案，较好的解决了系统集成化问题。 方案采用通用性较强，价格便宜的80C51单片机；人机接口采用8297；A/D转换器采用ADC0809；片外存储器选用两片6264，容量扩至16k×8；数据传输采用USB，用CH375芯片作为单片机串行口与USB的连接芯片。数据采样频率设为六种可选，最小至0.2ms，最大至625ms，可以适应不同的应用场合。 单片机系统在实际工业系统中可能会遇到各种干扰和自身的随机性误差，目前的抗干扰方法主要有硬件看门狗技术和软件陷进技术等，本方案将两种方法结合起来，进一步提高了系统的稳定性。 关键词:单片机;数据采集;硬件看门狗;中断系统;串行通信 The software design of the integrated accelerometer Abstract In traditional acceleration test system, components form accelerometer, temperature compensation, electric enlarge circuit to data acquisition unit are all stand alone, inconvenience in take and being subjected to the measuring space. This text introduced a method that using integration system of single chip microcomputer for data acquisition and deliver, resolving the integration of the system. This project adopts in general used, low-cost 80C51 system;Person's machine connects to adopt 8297;The A/D conversion machine adoption ADC0809; RAM use two slices of 6264 , the capacity expands to the 16 k × 8;Data_deliver uses the USB, using the CH375 chips as conjunct chip between the USB and the serial interface. The date- acquisition frequency sets for six kinds of eligibility, the minimum to 0.2 ms, the biggest to 625 ms, adapting different applied situation Single chip microcomputer system may fall across some impacting factors and self random error, the current anti- impacting methods mainly have the hardware watchdog technique and software trap method etc. This project put together two kinds of methods, further raising the stability of the system Keyword:single chip microcomputer;data-acquisition; the hardware watchdog;outage system;serial communication加速度传感器的选择
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