加速度計構造原理、工作特點及應用的研究

張澤宇

摘 要：加速度計是測量運載體線加速度的儀表。本文在拓展了對高中所學動力學知識的基礎上，研究了加速度計的構造原理、工作特點以及應用狀況，旨在解決利用打點計時器計算加速度過于繁瑣的問題，力求能夠直接測量加速度，并在實際生活中廣泛應用。

關鍵詞：加速度計；構造原理；工作特點；應用；研究

在高中物理學習過程中，由于利用打點計時器計算加速度的方法過于繁瑣，我希望尋找簡潔的方法可以直接測量加速度。我在查閱資料的基礎上，通過拆開并觀察多個廢舊“加速度計”，研究了加速度計的構造原理、工作特點以及應用狀況。

一、加速度計的原理

加速度計的理論基礎就是牛頓第二定律，根據基本的物理原理，在一個系統內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。

加速度計的結構模型如圖所示：它采用物體彈簧阻尼器系統來感應加速度。當加速度計連同物體（該物體的加速度就是待測的加速度）一起做加速運動時，物體就受到慣性力的作用向相反的方向運動。物體發生的位移受到彈簧和阻尼器的限制，顯然該位移與外界加速度具有一一對應的關系：外界加速度固定時，物體具有確定的位移；外界加速度變化時（只要變化不是很快），物體的位移也發生相應的變化。另一方面，當物體發生位移時，感應器之間的電容就會發生相應的變化；如果測得感應器輸出電壓的變化，就等同于測得了物體的位移。既然物體的位移與待測加速度具有確定的一一對應關系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關系，即通過輸出電壓就能測出加速度的數值。

二、加速度計的工作特點

加速度計的種類較多，在學習過程中，我主要對以下幾種加速度計進行了比較研究：

（一）隧道電流式

隧道電流式加速度計的工作原理是利用電子勢壘隧道效應，把物體運動的加速度轉換為物體的相對位移，再通過隧道效應將位移量轉換為隧道電流的變化量，然后用檢測電路測出電流變化量從而測得物體運動的加速度大小。隧道電流式加速度計頻帶寬、靈敏度極高，大約在10-9g 左右，溫度效應小，又由于待測物體運動的范圍較小，因而線性度好，可靠性高。

（二）電容式

電容式加速度計的敏感元件為固定電極和可動電極之間的電容器，其工作原理是在物體加速運動時，發生位移，這樣就會改變物體和電極之間的電容，將這種變化量用電信號檢測出來就可測量加速度的大小。電容式加速度計有許多優點，比如靈敏度高、有較好的直流響應特性、低溫度效應和低功率耗散。但是，由于傳感器阻抗很大，所以易受電磁干擾影響。

（三）壓阻式

壓阻式加速度計通常采用壓敏電阻作為敏感元件，壓敏電阻的電阻率變化與質量塊的位移有關，其工作原理是將被測加速度轉換為硅材料的電阻率變化來進行加速度的測量。

壓阻式加速度計的結構通常很簡單，加工工藝與IC 技術兼容，具有良好的直流響應特性。但是靈敏度很小（在20～50g 量程下約為1～2mV/g） ，溫度效應嚴重，動態范圍有限。

（四）壓電式

壓電式加速度計的敏感元件是壓電材料，壓電材料將直接作用于物體的力轉換為電信號。固定著加速度計的物體與壓電材料連接，當物體加速運動時，壓電材料和物體之間就有了作用力，使壓電材料發生變形，壓電材料發生的形變量和由此引起的電壓變化量與加速度成正比，輸出電壓經放大后就可檢測出加速度的大小。

三、加速度計的應用

（一）汽車安全裝置

加速度計在汽車安全控制方面較為常見，如多氣囊開啟和防抱死系統、車輪的操縱和自動剎車等，這已經成為現代汽車的標配。

加速度計的快速反應，在汽車安全行使中非常重要。安全氣囊是保證汽車行駛安全性的約束裝置，當汽車發生激烈撞碰時，汽車運動的加速度急劇增大，加速度計發出控制信號，立即給氣囊發送指令，瞬間彈出氣囊，并給氣囊迅速充氣，安全氣囊就會擋住司機及乘車人員的頭及胸部，避免人與擋風玻璃和汽車車身發生撞擊，從而保護了乘車人員的安全。

汽車防抱死系統是加速度計用于汽車安全的又一重要應用。當汽車在崎嶇的山路上行使，又逢雨雪天氣時，汽車極容易發生側滑，在司機還來不及反應時，加速度計就會先給汽車剎車系統發出信號，調整汽車剎車力度，進行緊急剎車，從而延長司機的可控時間，避免造成車毀人亡事故。

此外，在汽車車體移動、汽車定位、防盜報警、自動導航、定速行駛等方面，加速度計也得以廣泛應用，如今這些功能已經成為大家選擇汽車的重要參數，加速度計給我們的生活帶來了安全保障。

（二）地層勘探

在地層勘探中，加速度計也作用非凡。在一定區域內，埋入定量測量地震波型及強度的加速度計，根據波形的變化情況，就能夠判斷地下在什么位置、有哪種礦產。在地震勘探中，由于要求高分辨率、高保真，現有技術還不能滿足要求，這也是我有很興趣去研究的課題。

（三）機器人狀態控制

對機器人控制系統來說，加速度是一個重要的狀態變量。對于各自由度的位置控制，可利用加速度計獲得機器人的加速度，對加速度進行一次積分可以獲得機器人的速度，對加速度進行二次積分可獲得機器人的位置，從而根據這些信息形成反饋校正。加速度計不僅已被廣泛的應用于儀器儀表、汽車啟動檢測、地震檢測、工程測振等各種振動測試與分析，而且在商業領域也占據了廣泛的市場，對加速度計的深入研究行業前景可觀！

參考文獻：

[1]張艷鳳.壓阻式加速度傳感器的研究[D].長春理工大學，2004.2.18.

[2]高鵬，黃國勝.MEMS加速度計的原理及運用[J].2006.12.19.

[3]李圣怡，劉宗林，吳學忠.微加速度研究的進展[J].國防科技大學學報，2004.26（6）.