《计量与测试技术》２ｏ∞年第３７卷第１ｏ期 加速度传感器的检测应用研究进展 Ｃｈｅｃｋｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ 刘 宇 鞠文斌 刘羽熙 （中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：加速度传感器在工业、军事、航天和民用领域检测中有着广泛的应用。本文综述了加速度传感器的研究概况，总结了其六种检测感应功能应 用进展，并提出发展趋势。 关键词：加速度传感器；检测应用；研究进展 １加速度传感器的研究概况 出幅度会有所变化，对两种状态下信号输出进行比较计 加速度传感器是一种十分重要的测量加速力的电子 算可推算出倾斜角的大小，应用双轴、三轴加速度传感器 活动检测器，在（１～６４）Ｈｚ的设备频率下典型的加速度 就可测出任意倾斜角的大小和方向。 测量范围为（０．１～１０）ｇ。加速度传感器的种类繁多，从 利用加速度传感器测量倾斜度的这种检测感应功 测试原理上可分为压电式、电容式、电感式、压阻式、隧道 能，加速度传感器可应用于倾斜仪、倾斜度侦测电子罗 电流式、谐振式等等。多数加速度传感器是根据压电效 盘、图像旋转、文本滚动浏览／用户界面、ＬＣＤ投影和物理 应的原理来工作的，当输入加速度时，加速度通过质量块 治疗法等方面。 形成的惯性力加在压电材料上，压电材料产生的变形和 飞思卡尔半导体公司推出的ＭＭＡ７２６０Ｑ三轴加速 由此产生的电荷与加速度成正比，输出电量经放大后就 度传感器是用于倾角测量的典型应用之一，它以重力为 可检测出加速度大小。 输入矢量来决定物体在空间的姿态。把加速度传感器固 从测量维数上来看，单维的加速度传感器技术比较 定于物体的水平面上，当物体姿态改变时，加速度传感器 成熟，绝大多数加速度传感器为一维型（单轴），而微惯性 的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏 系统以及其他～些应用场合常常需要双轴或者三轴的加 感轴上的加速度会发生改变，因此可通过测量加速度的 速度传感器来检测加速度矢量，目前市场上有越来越多 变化来反映物体姿态的变化。 的产品应用了双轴以及三轴加速度传感器。如美国美新 ２．２运动检测 半导体有限公司（ＭＥＭＳＩＣ）开发出了用于车身控制的双 在进行运动检测时，需要考虑几个因素：如何计算它 轴加速度传感器，该产品的特点是没有机械可动部分，而 的位移，ｇ值的范围选择及使用量测轴。首先应确定位 且产品供货后的故障发生率一直控制在一位数多的ｐｐｍ 移：计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则需进 值。意法半导体公司推出了一款全新数字信号输出三轴 行一次积分。利用这种运动检测感应功能，加速度传感 加速传感器ＬＩＳ３３１ＨＨ，其最大测量值达到２４ ｇ，相当于 器可应用于运动控制、计步器和基本运动检测等。 Ｆ１赛车在强劲刹车时产生加速度的５倍左右，可在消费 国外应用加速度传感器进行人体运动检测方面的研 电子和工业应用中实现高精确度的测量。 究比较广泛，特别是医学临床辅助诊断、体育运动训练、 最近十几年来，采用微机电系统技术制作的加速度 人体运动仿真等方面已取得大量研究成果。而国内相对 传感器得到了迅速的发展。这种加速度传感器与传统加 来说研究较少。 工方法制造的加速度传感器相比具有体积小、重量轻、性能 加速度传感器能获取人体运动时加速度的频率和幅 稳定等特点。而且，由于微机械结构制作精确、重复陛好、易 度，且其安装简便、体积小，能满足人体运动评估检测的 于集成化、适于大批量生产，所以具有很高的性价比。 要求。Ｃａｒｈｊｎ Ｖ．Ｃ．Ｂｏｕｔｅｎ等人采用压阻式三轴加速度传 ２几种加速度传感器的检测感应功能 感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系。此三轴加 加速度传感器应用范围广泛，一般来讲它有六种检 速度传感器是由３个单维压阻式加速度传感器正交地安 测感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、震动检 装在一个很轻的立方体盒中组成，并由弹性绷带系与人 测、振动检测和自由落下检测。 体腰背部，实现对人体在坐、行走等日常活动运动中加速 ２．１倾斜度检测 度的测量，并获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。 加速度传感器水平放置时，在重力作用下经激励有 运用加速度传感器测量步行运动最为经典的研究是 一定幅度的输出，当与重力方向有倾角时，传感器信号输 Ｆｒｅｅｄｓｏｎ等人采用Ａｃｔｉｇｒａｐｈ单轴加速度测量了三种速度 蛮ｌＪ字等：加速度传感器的捡莉应硒研究进展 下的步行（４．８、６．４、９．７ ｋｍ／ｈ，分别代表正常步速行走、 快走和慢跑）。 ２．３定位检测 利用定位检测感应功能，加速度传感器可应用于汽车 导航、防盗设备和地图跟踪等。定位的精确程度是衡量系 探研究所共同承担了国家“八六三”计划，进行研究 ＭＥＭＳ加速度传感器在石油勘探领域中的应用。 ２．６自由落下检测 利用自由落下检测感应功能，加速度传感器可应用 于自由落体保护、下降记录和检测、运动控制和认知等。 在硬盘驱动器保护应用中，自由落下检测是最近出 统陛能优劣的重要指标，因为导航系统等功能就是帮助用 户确定位置并提供正确的操作指示。目前，常用的定位手 现在消费性电子产品中的一个新的应用，外界的轻微振 段有惯性导航定位、ＧＰＳ卫星定位和组合导航定位等。 在车载导航系统中，加速度传感器完成车辆瞬时加 速度的数据采集任务，然后根据推算定位法计算出当前 位置相对于已知参考位置之间的偏移，从而得到车辆的 绝对位置。在短时间内，利用这种方法得到的定位精度 很高，在平均加速度２８．４ 的情况下，ｌ０秒钟内得到的 定位误差大约是０．５ ｍ。ＡＤ公司出品的一款双轴加速 度测量系统ＡＤＸＬ２０２的定位方法是惯性导航定位的一 种，虽然按照上述方法在短时间内精度很高，但随着时问 增加，误差积累效应越来越大，会严重影响导航精度。因 此，通常用加速度传感器和Ｇ／Ｘ５一起组合成为组合导航 系统，以此提高定位精度，增强系统性能。 ＧＰＳ系统是通过接收三颗呈１２０度分布的卫星信号 来最终确定物体的方位。在一些特殊的场合和地貌，比 如遂道、高楼林立区和从林地带，ＧＰＳ信号会变差或完全 失去，这种区域叫做死角。而通过安装加速度传感器和 惯性导航，就可以进行系统死区的测量。对加速度传感 器进行一次积分，就变成单位时间内的速度变化量，从而 测出在死区内物体的移动。 ２．４震动检测 通常，震动检测所需的加速度传感器的规则选取是 按照被测量对象的减速度决定的，而且算法将随每种设 计的不同而变化。 利用震动检测感应功能，加速度传感器可应用于下 降记录、黑匣子／故障记录仪、硬盘驱动器保护、运输和处 理监视器。在马达控制器应用中，通过加速传感器可以 将震动量变化为数据，借此数据可判断出震动量的大小， 可用作预防性维修和检测电机故障等，能够节省成本。 ２．５振动检测 利用振动检测感应功能，加速度传感器可在地震活动 监视、智能电机维护、家电平衡和监测等方面有广泛应用。 地震加速度传感器是地震资料野外采集的最前端， 是能否获取高信噪比、高分辨率、高保真度的原始地震资 料的关键。近年来，美国Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）公司已成功 开发出以ＭＥＭＳ加速度传感器为基础的新型地震检波 器，使地震勘探仪器的性能指标有了大幅度的提高。同 时法国的Ｓｅｒｃｅｌ公司也在进行以ＭＥＭＳ为核心技术的加 速度传感器的研制，用于石油勘探。国内的威海双丰电 子集团有限公司、中科院上海微系统所与中石化南京物 动就会使硬盘数据丢失，利用此项功能可以保护硬盘驱 动器的资料安全。在硬盘驱动器自由落下撞击地面之 前，从加速度传感器所得的数据分析出相应的危机状态， 系统可立即令硬盘驱动器读写头做出反应，以防止撞击 时读写头将硬盘驱动器资料刮坏。 ３结束语 加速度传感器作为一种成熟技术在各种检测感应功 能方面的研究已经日趋深入和广泛，经过几十年的发展， 加速度传感器在工作原理及测试技术等方面已趋于完 善。但是目前国内对加速度传感器的理论研究及工程应 用与国际先进水平相比仍然还有一定差距，今后高分辨率 和大量程的ＭＥＭＳ加速度传感器应成为研究的重点，多轴 加速度传感器的开发也应成为重要的研究方向，另外要选 择利于操作的工艺手段，降低制作成本，简化工艺。 参考文献 ［１］美新公司．加速度传感器在便携式设备中的应用［Ｊ］．世界电子元 器件，２００６，６：９２—９４． ［２］凌灵．基于非硅ＭＥＭＳ的新型微机械加速度计若干技术的研究 ［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００８． ［３］资道周．加速度传感器性能测试系统的设计与实现［Ｄ］．湖南：湖南 大学，２００７． ［４］Ｚ达明，袁丽冬．加速度传感器在倾斜测量中的应用［Ｃ］．２０００全国 力学量传感器及测试、计量学术交流会，２０００：７７—７８． ［５］苏维嘉，王旭辉．新型加速度传感器在倾角测量中的应用研究［Ｊ］． 机械研究与应用，２００７，２ｏ（５）：６２—６５． ［６］钱朋安，葛运建，唐毅等．加速度计在人体运动检测中的应用［Ｃ］． 全国第ｌ３届计算机辅助设计与图形学学术会议暨全国第１６届计算机科 学与技术应用学术会议，２ＯＯ４：６３２—６３６． ［７］戴剑松，孙飙，沈洪兵．加速度传感器测量体力活动的应用综述 ［Ｊ］．中国运动医学杂志，２ＯＯ９，２８（６）：７２０—７２７． ［８］李智利，汪正祥．ＭＭＡ７２６０Ｑ在车载导航定位中的应用［Ｊ］．微计算 机信息，２００７，２３（８—２）：２１８—２１９． ［９］张帆．基于加速度传感器定位的输电线舞动监测装置研究［Ｄ］．重 庆：重庆大学，２００９． ［１Ｏ］唐晓刚，颜永安，赵冰．石油勘探ＭＥＭＳ加速度传感器在煤田勘探 的应用［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００６，６：５０—５７． ［１１］余学锋，张华．传感器测量误差分布模型的归一化处理方法与分 析．中国测试，２ｏｏ９（１）３７． 作者简介：刘字，女，工程师。工作单位：中国电子科技集团公司第四十九 研究所。通讯地址：１５０００１哈尔滨市南岗区一曼街２９号４４信箱。 鞠文斌，中国电子科技集团公司第四十九研究所（哈尔滨１５０００１）。 刘羽熙，哈尔滨工业大学（哈尔滨１５０００１）。 收稿时间：２０１０—０４—２１
