加速度传感器工作原理

加速度传感器工作原理（精选10篇）

加速度传感器工作原理 篇1

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，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的 范围内，以使 与 C的关系近似于线性。

它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙 ,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。

由式(2-5)可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移 增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：

可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

加速度传感器工作原理 篇2

MMA系列硅电容微机械加速度传感器是近年来开发出的一种新型电子集成式传感器。

MMA系统加速度传感器电路由信号调节4级低通滤波器、温度补偿、零加速失调、工厂设定滤波器截止频率等几个部分组成,无需外部元件即可独立工作。全系统具有自测试校正功能,并且可以指示故障信息。其功能结构如图1所示[1]。

MMA系列加速度传感器的具体工作原理如下:

它是一种表面微机械积分电容加速度传感器,由表面微机械电容敏感件(g传感器)和CMOS信号调节器ASIC组成,安装在一个“电容”晶片当中,由半导体材料———多晶硅经过半导体工艺浊刻处理后形成的一种微机械结构。可用以下模型来说明其结构:在2块相对静止的板中间有1块可移动板,当加速度产生时,中间的可移动板就会根据加速度的大小和方向发生不同程度的偏移,如图2所示。

当中间板发生偏移时,它与一端静止板的距离就会增大,而与另一端板的距离减小,这种距离的变化恰好反应了加速度的大小。这种中间板在2块静止板之间的偏移实际上形成了2个背对背电容。随着加速度的变化,中间板与静止板之间的距离也发生变化,从而使电容值发生变化。

式中,A为板的面积,ε为特定常数,D为板间的距离。

CMOS ASIC利用开关电容技术测出加速度敏感单元(gcell)的电容值,并通过提取电容间的差值测出加速度的信号。ASIC对加速度信号进行放大、滤波,并输出1个与加速度信号成正比的电压信号。

2 特殊功能

2.1 滤波

MMA内部带有4极低通滤波器,采用巴斯韦尔滤波法使传感器具有线性延时响应,以保持脉冲形状的完整。由于滤波器采用开关电容技术,因而不需外加元件来确定截止效率。

2.2 系统自测试

MMA具有系统自测试功能,在安装前后均可对机械和电路的性能进行校准。由于它可以确保传感器正常工作,因此这一功能在汽车安全气囊的运用中至关重要。在加速度敏感单元(g-cell)中,自测试由第四极板来完成。当在自测试Vst端加入一个高电平时,中间板和自测试板之间会产生一个固定的电势差,受静电力的作用,Fe=AV2/2d2,使中间板发生偏移。当ASCI控制单元检测到偏移时,输出一个相应比例的电压。这一过程既可测验机械结构是否完好又可测试内部电路是否正常。

2.3 线性度

线性度用于表示供电电压的高低和系统输出漂移以及灵敏度的线性比例关系。即当提高供电电压时,输出漂移和灵敏度成比例提高,反之亦然。当传感器、微处理器以及A/D转换器接口时,这一特性可用于确定A/D转换器的误差校正因素。

2.4 系统状态指示

MMA带有系统误差指示及故障自锁功能。当出现以下情况时,系统状态(Status)指示端显示高电平:(1)供电电源低于低电压检测(LVD)的阀值;(2)时钟发生器频率低于下限;(3)EPROM的奇偶校舍验位为偶数。

在没有更新的故障发生时,系统信号故障可通过在自测试端加入一个高电平来消除。

3 应用实例

MMA加速度传感器广泛应用于运动诊断测量、理疗设备、重症患者活动监测、运动员体育训练测量以及高原部队越野训练体能消耗测量等设备中[2]。

我们自行研制的高原野战作训练体能消耗测量仪就采用了MMA加速传感器,并将其作为运动量测量的基本单元。

该仪器的工作基于以下原理:人体在自由活动的条件下,如果要准确地测量运动量,则采用最近发展起来的电子加速度计最为理想[3]。经过大量相关资料的查阅以及一些实验数据的引入,从理论和实验2个方面论证了身体加速度绝对值对时间的积分与耗氧量及能量消耗存在的线性关系[4]。基于上述原理设计一套适用于高原野外运动的便携式能量消耗测量系统。该系统采用最新集成式MMA系列加速度传感器,可测量出人体运动的加速度信号,信号经过整合处理,PIC单片机采集数据后进行分时存储,最终在液晶显示器上显示每分钟活动量(即累计活动量)[5]。该系统采用电池供电,体积小,便于携带,具有广泛的应用价值。

除了在医学领域的应用,MMA系列加速度传感器也广泛应用于以下各个领域:(1)振动监视和记录;(2)仪表设备控制;(3)机械轴承测位监视;(4)计算硬驱动保护;(5)计算鼠标和键盘;(6)假象输入器件;(7)运动诊断器件和系统。

由于MMA系列加速度传感器具有体积小,抗冲击能力强,集成度高和低噪声漂移的特点,因此正被更多的设备和领域所采用。

参考文献

[1]赵负图.传感器集成电路手册[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2]丁镇生.传感及其遥控遥测技术应用[M].北京:电子工业出版社,2002.

[3]贺智明,周超英,李新胜.有创血压传感器发展现状及其趋势[J].医疗卫生装备,2006,27(2):34-36.

[4]余学飞.医用电子仪器原理与设计[M].广州:华南理工大学出版社,2000.

汽车氧传感器工作原理及检测方法 篇3

【关键词】氧传感器 工作原理 检测方法

一、氧传感器的工作原理

（一）氧化锆式氧传感器：在高温和铂催化作用下，带负电的氧离子吸附在氧化锆套管的内外表面上，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差产生电动势。当套管废气一侧的氧浓度低时，在电极之间产生一个高电压（0.6～1V），这个电压信号被送到ECU放大处理，ECU把高电压信号看作浓混合气，而把低电压信号看作稀混合气。根据氧传感器的电压信号，电脑按照尽可能接近14.7：1的理论最佳空燃比来稀释或加浓混合气。

（二）氧化钛式氧传感器：利用多孔状导体TiO2的导电性随排气中氧含量的变化而变化的特性制成，当发动机的可燃混合气浓时，二氧化钛呈现低阻状态；当发动机的可燃混合气稀时，二氧化钛呈现高阻状态。由于氧传感器的电阻发生改变，使得与电控单元连接的氧传感器负极上的电压降也产生变化。根据氧传感器的电压信号，电控单元控制混合气的浓度保持在理论空燃比附近的狭小范围内。

（三）宽频型氧传感器：为了省油，实现稀薄燃烧而诞生的宽频氧传感器，通过单元泵工作，可将尾气中的氧吸入测量室，单元泵工作所用电流，即为传递给控制单元的电信号，控制氧传感器的电压值在450mv附近。当泵入混合气过浓时，测试室的氧量少，氧传感器电压值超过450mv，控制单元增大单元泵的工作电流，使单元泵旋转速度增加，增加泵氧速度，使氧传感器电压值恢复到450mv；当混合气过稀时，测试室中氧的含量较多，电压值下降，此时加大喷油量，同时减少单元泵的工作电流，使氧传感器电压值尽快恢复到450mv的电压值

二、检测方法

（一）汽车氧传感器加热器电阻的检查。拔下氧传感器线束插头，用万用表电阻档测量氧传感器接线端中加热器接柱与搭铁接柱之间的电阻，其阻值为4-40ω（参考具体车型说明书）。如不符合标准，应更换氧传感器。

（二）汽车氧传感器反馈电压的测量。测量氧传感器的反馈电压时，应拔下氧传感器的线束插头，对照车型的电路图，从氧传感器的反馈电压输出接线柱上引出一条细导线，然后插好线束插头，在发动机运转中，从引出线上测出反馈电压，对氧传感器的反馈电压进行检测时，最好使用具有低量程（通常为2v）和高阻抗（内阻大于10mω）的指针型万用表。具体的检测方法如下：

1.将发动机热车至正常工作温度（或起动后以2500r/min的转速运转2min）；

2.将万用表电压档的负表笔接蓄电池负极，正表笔接氧传感器线束插头反馈电压输出引线；

3.让发动机以2500r/min左右的转速保持运转，同时检查电压表指针能否在0-1v之间来回摆动，记下10s内电压表指针摆动的次数。在正常情况下，随着反馈控制的进行，氧传感器的反馈电压将在0.45v上下不断变化，10s内反馈电压的变化次数应不少于8次。如果少于8次，则说明氧传感器或反馈控制系统工作不正常，其原因可能是氧传感器表面有积碳，使灵敏度降低所致。对此，应让发动机以2500r/min的转速运转约2min，以清除氧传感器表面的积碳，然后再检查反馈电压。如果在清除积碳可后电压表指针变化依旧缓慢，则说明氧传感器损坏，或电脑反馈控制电路有故障。

4.检查氧传感器有无损坏。拔下氧传感器的线束插头，使氧传感器不再与电脑连接，反馈控制系统处于开环控制状态。将万用表电压档的正表笔直接与氧传感器反馈电压输出接线柱连接，负表笔良好搭铁。在发动机运转中测量反馈电压，先脱开接在进气管上的曲轴箱强制通风管或其他真空软管，人为地形成稀混合气，同时观看电压表，其指针读数应下降。然后接上脱开的管路，再拔下水温传感器接头，用一个4-8kω的电阻代替水温传感器，人为地形成浓混合气，同时观看电压表，其指针读数应上升。也可以用突然踩下或松开加速踏板的方法来改变混合气的浓度，在突然踩下加速踏板时，混合气变浓，反馈电压应上升；突然松开加速踏板时，混合气变稀，反馈电压应下降。如果氧传感器的反馈电压无上述变化，表明氧传感器已损坏。另外，氧化钛式氧传感器在采用上述方法检测时，若是良好的氧传感器，输出端的电压应以2.5v为中心上下波动。否则可拆下传感器并暴露在空气中，冷却后测量其电阻值。若电阻值很大，说明传感器是好的，否则应更换传感器。

（三）线宽频型氧传感器检测。这种传感器插头带有精密电阻，更换氧传感器时，必须线与插头同时更换，宽量程氧传感器单件检测方法：端子3和4是加热器，不应该开路，加在上面的电压为12V，端子1是信号输出，端子5和6是参考电压，端子2是泵电流输入。有的宽量程氧传感器端子5和6是作为同一个端子输出（5）线。宽量程氧传感器的电压规定值为1.0V～2.0V。电压值大于1.5V时混合气过稀（氧多），电压值小于1.5V时混合气过浓（氧少）。电压值为OV、1.5V、4.9V的恒定值时都说明氧传感器线路有故障。急加速与急减速时电压可能到0.8与4.9，这是正常的。

（四）汽车氧传感器外观颜色的检查。将氧传感器从车辆上拆下，检查其外壳上的通气孔有无堵塞，陶瓷芯有无破损，如有破损，应更换氧传感器。此外，可以观察氧传感器顶尖部位的颜色来判断故障：

1.淡灰色顶尖：这是氧传感器的正常颜色；

2.白色顶尖：由硅污染造成的，此时必须更换氧传感器；

3.棕色顶尖：由铅污染造成的，如果严重，也必须更换氧传感器；

4.黑色顶尖：由积碳造成的，在排除发动机积碳故障后，一般可以自动清除氧传感器上的积碳。

三、结语

电阻应变式称重传感器等工作原理 篇4

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

一、电阻应变

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R = ρL/S（Ω）（2—1）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2（2—2）

用式（2--1）去除式（2--2）得到

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S（2—3）

另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以

ΔS/S = 2Δr/r（2—4）

从材料力学我们知道

Δr/r =-μΔL/L（2—5）

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

= K *ΔL/L（2--6）

其中

K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）

式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（２--６）常写作：

ΔR/R = Kε(2—8)

二、弹性体

加速度传感器工作原理 篇5

ICP加速度传感器简介

2.1 压电式加速度传感器的结构与原理

2.1.1 压电式加速度传感器结构

压电式传感器是由压电效应制作，其机构原理图如图2.1所示，它是一种机电转换式与自发电式的传感器。它的感应器件是采用压电材料制成的。当压电材料受到力作用之后表面会产生一定量的电荷。电荷通过电荷放大器放大、测量电路放大和变换阻抗后就成为与所受外力成正比的电量输出。它的优点是信噪比很高、灵敏度高、频带较宽、重量较轻、结构简单、和工作性能可靠等。缺点则是某些压电材料需要良好的防水防潮防有害气体措施，而直流输出响应比较差，这就需要采用电荷放大器来克服这一条件，在缺少电荷放大器的情况下，也可以采用具有高输入阻抗的电路来满足要求。

图2.1压电式传感器结构原理图

2.1.2 典型的电荷放大系统

除了在上面已经提到了压电式传感器的特点和优点外，它也有自己的缺点，那就是某些压电材料需要良好的防潮措施，而且输出的直流响应差，所以一般都需要配套的放大器电路，图2.2为典型的电荷放大测试系统。

图2.2 典型电荷放大测试系统

在冲击与振动测试中应用最为广泛的就是压电式加速度传感器，但由于其压敏元件具有非常高的阻抗，而且它产生的是微弱的电荷信号，因此需要将传感器产生的高阻抗的输出信号通过一个前置放大器转换成低阻抗的信号。

常用的前置放大器可以分为电荷放大器和电压放大器两种。虽然电缆分布电容对电荷放大器的干扰不大，灵敏度不会受到太大影响，但是由于当弯曲或者振动电缆时，屏蔽层与绝缘体会因为存在相对移动造成摩擦，产生静电荷，从而产生电缆噪声，同样的道理，电缆芯线与绝缘体也会因此而对测试产生干扰。结构简单的电压放大器尽管，稳定性和线性度良好，电缆分布电容的存在会干扰电荷放大器，从而影响到灵敏度。这些情况都会给测试工作带来较大麻烦，由此ICP传感器应运而生[21]。

2.1.3 ICP传感器测试系统

ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）传感器本质就是内置了集成电路电荷放大器的压电传感器。与前面所讲的外部连接前置放大器的压电传感器相对比，它弥补了上述的不足。具有代表性的ICP传感器测试系统通过恒流源供电，并且信号输出线路直接与供电电缆相连接，输出的信号为低阻抗形式的信号。整个测试系统包括ICP加速度传感器，普通的双芯电缆和一个能够为传感器连续供电的电源模块。恒流源模块为ICP传感器供电，并从中读取振动信号，典型的ICP测试系统如图2.3所示：

图2.3典型的ICP测试系统

2.2 ICP传感器的选型

ICP加速度传感器有很多型号，每种型号都有自己适用的某种特定用途。为了使测试数据准确度更高，我们需要基于测试系统的适用要求，选择最合适的ICP传感器。一般来讲，重量，灵敏度和频率响应是选择ICP加速度传感器最主要的参考因素。

2.2.1 重量

传感器自身有质量，附加在被测物体上，自然会影响其运动状态。而如果ICP传感器的质量比较大，或者是被测物体的质量比较小，是传感器接近于被测物体的动态质量，那么被测物体的振动就会由于受到干扰而有所减弱。对于有些被测物体，可能整体质量非常大，但在安装ICP加速度传感器的部位，典型的比如一些薄壁结构，传感器的质量已经与结构的局部质量在一个数量级或者非常接近，这样传感器将会使局部运动状态受到干扰和影响。因此，在工程实际中，传感器的质量ma需要远小于被测装置传感器安装点的运动质量m。

因为受到传感器质量的干扰，被测装置的振动加速度a会有所减小，其减小的加速度△a可以使用下式进行粗略计算: △a =a[1-m/(ma+m)]……………………………………………………(式2.1)

2.2.2 灵敏度

系统的信噪比、分辨率和抗干扰能力是与传感器的灵敏度成正比的。就特定功能的传感器来讲，灵敏度与传感器的重量成正比，与谐振频率和量程成反比。因此灵敏度的选择主要考虑这三个方面，即重量、量程和频率响应。此外，在满足这三方面的要求下，我们还要考虑传感器的灵敏度，当然越高越好，这样有利于提高系统的信噪比。2.2.3 频率响应特性

高频响应特性：ICP传感器使用手册给出的上限截止频率为+10%频响，粗略计算为安装谐振频率的1/3。在要求上限截止频率误差为+5%的情况下，大概为安装谐振频率的1/5。如果设置适当的校正系数，则在更高的频率范围内依然能够获取非常可靠的检测数据。

低频响应特性：ICP传感器使用手册给出的下限截止频率为-10%频响。基座应变、内置IC放大电路芯片的下限截止频率和热释电效应等环境特性决定ICP传感器的低频响应特性。应变片式ICP传感器能够响应静态信号。

2.3 ICP传感器输出信号的分析

ICP传感器是由恒流源芯片供电，LM334芯片我们选中12V直流电对其供电，如图2.4所示：

图2.4 传感器接线

图2.4中，JP1和JP2处就可以接传感器和引出传感器的信号（ICP传感器有两根引线，它们即是给传感器供电的线，同时也是传感器信号的引出线），若还没接上传感器根据前面对于恒流源电路的分析，那么在JP1和JP2处可以用电流表检测到4mA的电流，如果没有检测到，或者是不为4mA，那么这个恒流源的电路就没有搭建好。对我们搭建好的电路进行检测，电流表的示数为4mA，证明我们所搭建的电路是正确的。查阅资料得知，这个时候JP1和JP2之间的电压应该为11V~12V之间，对我们的电路测一下，为11.5V，这是一个很重要的电压，对于我们后续传感器信号的识别是非常关键的。

再接上我们的ICP传感器，将其接在JP1处，JP2作为我们信号的输出引线段，接在示波器上观察，开启我们的振动试验平台，调节我们的示波器选着交流耦合方式（也就是滤掉直流分量，只检测交流分量），观察示波器同样得到了一个正弦信号，信号的频率和我们振动实验平台的激振频率一样。说明我们所设计的恒流源能够使我们的ICP传感器正常工作。再调节示波器选择直流耦合（既测直流信号又测交流信号）观察示波器发现，和有一个直流分量存在。查阅资料上面说ICP传感器输出的信号不是基于0V的一个信号输出而是带有9V左右的直流分量的，用电压表测JP2两端的电压，测得一个9V的电压。传感器没有检测信号，只要接在了恒流源上面就会产生这样的一个信号。示波器上观察到如图2.5所示：

气体传感器的分类与工作原理浅探 篇6

气体传感器以气敏器件为核心组成, 在检测系统中的作用相当于人类的鼻子, 将气体种类、浓度等参量转化成电信号输出。对气体传感器的基本性能要求是:

(1) 较好的选择性, 不受其他气体干扰, 能按要求检测出气体浓度;

(2) 可以重复多次使用, 使用寿命较长和稳定性好;

(3) 能实现实时监测。

由于不同气体具有不同性质, 为了能检测不同种类的气体, 所需的气体传感器的种类也就比较多。

按被测气体的性质分为: (1) 检测氢气、一氧化碳、瓦斯、汽油挥发气等易燃易爆气体的传感器; (2) 检测如氯气、硫化氢、砷烷等有毒气体的传感器。 (3) 检测工业过程气体的传感器, 如炼钢炉中的氧气、热处理炉中的二氧化碳。 (4) 检测甲醛、臭氧等大气污染的传感器。

根据气敏材料及作用效应可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、光学气体传感器、催化燃烧式气体传感器等。

根据作用原理可将气体传感器可分为: (1) 电学类气体传感器, 利用气敏材料的电学参量反映气体浓度的变化。 (2) 光学类气体传感器, 利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度。 (3) 高分子气敏材料气体传感器。 (4) 电化学类气体传感器。

此外, 按传感器的输出可分为电阻式和非电阻式;按气体传感器的结构还可分为干式和湿式。

较为常见的几种气体传感器件的工作原理和特性分析如下:

1 金属氧化物半导体气体传感器

电阻式气体传感器是由气体分子引起气敏材料阻值的变化, 目前已研发出单一金属氧化物材料、复合金属氧化物材料以及混合金属氧化物材料, 这是除了传统的Sn O、Sn O2和Fe2O3材料以外的一批新型材料。非电阻式气体传感器是一类较为常见的半导体气敏器件, 它利用了敏感气体会改变MOSFET开启电压的原理, 这类器件使用简单方便, 无需设置工作温度, 稳定性好, 灵敏度较高, 易集成, 市场上应用最为广泛, 但选择性有待改善。

2 催化燃烧式气体传感器

此类传感器采用惠斯通电桥原理, 感应电阻与周围的可燃气体发生无焰燃烧, 感应电阻变化的阻值使电桥平衡被打破, 转化为电流信号, 该信号经过放大、稳定和处理, 变为可靠的易读的数值显示出来。这类气体传感器响应快, 受温度和湿度影响小, 而且价格便宜, 广泛用于检测氢气、甲烷以及部分有机溶剂蒸气。但是这类传感器只可检测可燃性气体, 选择性也有待改善。

3 固体电解质气体传感器

固体电解质作为气体传感器时类似一种电池。这种传感器电导率高, 灵敏度和选择性好, 广泛应用在石化、环保、矿业、食品等各个领域。

4 电化学式气体传感器

此类气体传感器有四种类型:电量式、原电池式、定电位电解式和离子电极式。定电位式传感器需要由外界施加特定电压, 然后通过测量电解电流来检测气体的浓度, 能检测CO、O2等多种气体。电量式气体传感器通过测量被测气体与电解质发生反应产生的电流来确定气体浓度的。离子电极式气体传感器通过测量离子极化电流来确定气体浓度。此类气体传感器检测气体的灵敏度高, 选择性好, 但需要经常标定, 且使用寿命短。

5 光学式气体传感器

红外吸收型气体分析仪就是一种光学式气体传感器, 该分析仪通过测量和分析不同气体吸收红外线所产生的不同红外吸收峰来确定气体种类及浓度。此类气体传感器灵敏度高、响应快、稳定性好、使用寿命长, 但是价格偏高。

6 石英振子式气体传感器

此类气体传感器的核心是石英振子微秤 (QCM) , 它由石英振动盘和两个电极构成, 其中石英振动盘直径为数微米, 盘上淀积了有机聚合物, 吸附气体后的聚合物会使器件质量增加。给器件加上振荡信号, 于是在其特征频率内发生共振, 增加质量的器件会降低石英振子的共振频率, 由此测定共振频率的变化就能识别气体种类及浓度。

7 声表面波 (SAW) 气体传感器

由于聚异丁烯等材料能吸附具有挥发性的有机化合物 (VOC) , 吸附后使传感器件质量增加, 声波在该材料表面传播时, 其传播速度、振动频率就会发生相应的变化, 由此可测量声波频率的变化来识别气体浓度。此类气体传感器灵敏度高、检测限低、体积小, 可测量苯乙烯、甲苯等有机物的蒸汽, 但只能在室温工作, 且对气体的选择性是由敏感材料决定的。

摘要：气体传感器以气敏器件为核心组成, 在检测系统中的作用相当于人类的鼻子, 将气体种类、浓度等参量转化成电信号输出。本文分析了几种常见的气体传感器的工作原理和特性。

关键词：气体传感器,气敏材料,工作原理

参考文献

[1]陈长伦等.电化学式气体传感器研究进展[J].传感器世界, 2004 (04) :11-15.

加速度传感器工作原理 篇7

关键词：三轴加速度传感器；行为监测；无线传感器网络

中图分类号：TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0434-03

动物行为能一定程度反映动物机体对环境的适应情况，是动物福利评价的重要指标，因此定量测量动物的行为具有重要意义，将以加速度传感器为主的采集节点的设计用于运动行为监测方面具有一定应用价值。

三轴加速度传感器在人体运动行为、能量消耗等方面的应用研究开展比较早[1]，常将传感器节点做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是内嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同时测量x、y、z 3个轴的加速度值，来判断人体的手臂和走步姿态及用于检测老人的跌倒行为[5-6]。但在动物行为监测方面的应用相对较少。2010年，Cornou等开始利用布带把三轴加速度传感器和蓝牙模块固定在母猪颈部，将采集到的运动信息传输给PC机进行行为分类[7]。国内华南农业大学尹令等以牛作为研究对象，基于三轴加速度传感器开发了无线传感器网络进行奶牛行为特征监测，用于判断奶牛发情和疾病状况[8]。南京农业大学刘龙申开展了母猪产前行为监测的研究，通过站卧姿态变化次数和筑窝行为来预测母猪的分娩时间[9]。

本研究利用三轴加速度传感器MMA7361与无线发射模块CC2430设计了1个运动信号的采集节点，实现对动物个体日常活动的数据记录，为进一步数据的传输和行为模式分析提供基础数据保障。

1 系统网络结构

个体行为的无线监测网络由无线传感器网络、GPRS/3G网络和监测中心组成（图1）。传感器节点作为无线传感器网络中的数据源，节点上配有MMA7361，可布置在监测个体身体的任意位置，便于用布带固定在动物颈部或脚踝处，实现对个体运动参数的采集。网关节点汇聚来自传感器节点的数据，并通过GPRS/3G网络发送给监测中心的服务器进行进一步行为分析。

2 模块的选择和确定

2.1 加速度传感器

基于运动行为监测系统的设计需要，加速度传感器要采集各监测对象的实时加速度值。根据加速度传感器灵敏度及功耗的需要，在无线加速度传感器网络节点的设计中需要选择一款体积小、质量轻、低功耗、便于佩戴的高灵敏度加速度

传感器。经过对同类传感器各方面的比较，本研究選用了MMA7361三轴加速度传感器。

MMA7361L[10]是飞思卡尔公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型电容式的微机械加速度传感器，可提供模拟电压输出的x、y和z三轴加速度传感器。该传感器可以采用 15 g 或6 g灵敏度重力选择模式，具有信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测和零重力检测等功能。工作电压为2.2～3.6 V，工作电流为400 μA，设置为睡眠模式时工作电路仅为3 μA。通过MMA7361L可以测量出任意时刻3个方向的加速度分量。

2.2 ZigBee模块

CC2430[11]是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM 波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合1个高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1颗工业级小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可编程闪存和 8 kB 的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21 个可编程I/O 引脚。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

3 加速度传感器节点硬件设计

考虑到加速度传感器节点的通用性，采用模块化设计思想设计硬件，节点的结构框如图2所示。由此可见，整个节点的设计由4部分组成，该平台利用RF射频芯片和CC2430处理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗无线通信协议IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微处理器，通过A/D接口采集MMA7361三轴加速度数据，并即时发送给网关节点。数据采集速率为40 Hz，无线数据收发速率为250 kbps。

如图3所示，三轴加速度传感器的输出信号为0～3.3 V的模拟电压信号，通过外接几个去耦电容以及滤波电容后直接接入无线单片机CC2430的模拟输入端口P0_5、P0_6、P0_7进行3个方向的加速度值的采集；为了调试、测试阶段的方

便，在无线传感器节点系统中设计了相应的电源指示灯D1、电源报警灯D2以及节点建网/入网指示灯D3；此外，在实验室设计阶段整个无线传感器节点的电源由5 V的可充电锂电池组成的电源模块提供。

4 节点软件设计

无线加速度传感器网络节点的软件设计主要是用户根据项目的实际需要在协议栈的应用层开发自己的用户程序。为了满足运动行为监测系统实际运行的需要，根据监测对象的距离，在被测对象身上布置无线加速度传感器节点，在动物畜舍内布置网关节点。无线加速度传感器网络节点的具体软件功能是：网关节点建立1个局域无线加速度传感器网络，网内短地址固定为0x0000，主要负责数据包的路由以及间接消息的转发；加速度传感器节点加入相应的无线加速度传感器网络，终端节点在接收到网关节点发送的采集数据命令后，定期向网关节点发送自己采集的3个方向的加速度值。为了减小系统功耗，网关节点在定时时间未到时处于低功耗状态（睡眠状态），加速度节点在未收到采集加速度传感器数值命令时也处于低功耗状态（睡眠状态）。

nlc202309041633

5 试验和结果分析

2013年12月12日到19日在江苏省金坛市永康农牧科技有限公司进行现场试验，选用12头长白母猪为试验对象，实物如图4所示，将传感器节点利用松紧带固定在母猪颈部下方进行24 h监测，母猪佩戴節点后无异常反应。实时采集到的数据以图5方式显示。

试验结果表明，加速度传感器节点能够不间断采集三轴加速度的数值，在特定时间内，母猪的行为模式和运动量趋于稳定，当活动量加剧或减少及异常行为出现时，可作为妊娠、分娩、疾病等情况的识别特征，该节点也可用其他牛、羊等大家畜的行为、位移、步数等数据量记录。

6 结论

本研究以三轴加速度传感器MMA7361和无线射频模块CC2430为核心，通过移植协议栈设计了1款新型的无线加速度传感器网络节点，可以方便组建低成本、低传输速率、高效率的无线网络，实现对各个对象动作的实时监测。在永康猪场配对测试发现，无线加速度传感器节点以及无线传感器网络性能稳定，具有较低的丢包率以及较低的成本，可以广泛应用于家畜（猪、牛、羊）行为监测和运动能量的前期数据采集。

参考文献：

[1]Sekine M，Tamura T，Ogawa M. Classification of acceleration waveform in a continuous walking record[C]//Engineering in Medicine and Biology Society. Proceedings of the 20th Annual International Conference of the IEEE，1998：1523-1526.

[2]Nurmi P，Floréen P，Przybilski M，et al. A framework for distributed activity recognition in ubiquitous systems[C]. Las Vegas，USA：International Conference on Artificial Intelligence，2005：650-655

[3]Mathie M J，Coster A C，Lovell N H，et al. Accelerometry：providing an integrated，practical method for long-term，ambulatory monitoring of human movement[J]. Physiological Measurement，2004，25（2）：R1-R20.

[4]Morris S J，Paradiso J A. Shoe-integrated sensor system for wireless gait analysis and real-time feedback[C]. 24th Annual Conference and the Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Society EMBS/BMES Conference， Proceedings of the Second Joint，2002：2468-2469.

[5]赵 伟，周玲玲. 加速度传感器在笔记本电脑中的应用[J]. 电信快报，2008（5）：37-39.

[6]Iso T，Yamazaki K. Gait analyzer based on a cell phone with a single three-axis accelerometer[C]. Helsinki，Finland：MobileHCI，2006.

[7]Cornou C，Lundbye-Christensen S，Kristensen A R. Modelling and monitoring sows activity types in farrowing house using acceleration data[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2011，76（2）：316-324.

[8]尹 令，刘财兴，洪添胜，等. 基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计[J]. 农业工程学报，2010，26（3）：203-208，彩插四.

[9]刘龙申. 母猪行为体征实时监测系统关键技术研究与实现[D]. 南京：南京农业大学，2013.

[10]Freescale Semiconductor. ±1.5 g，±6 g three axis low-g micromachined accelerometer[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf.

[11]TI. CC2430 software examples users guide[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru 178b/swru178b.pdf.

氧传感器原理 篇8

电喷发动机控制系统中的氧传感器是现代汽车中一个非常重要的传感器，用来监测发动机排气中氧的含量或浓度，并根据所测得的数据输出一个信号电压，反馈给电脑，从而控制喷油量的大小，它通常安装在排气系统中，直接与排气气流接触。结构

氧传感器采用二氧化锆（一种在有氧气的情况下能产生小电压的陶瓷材料)作敏感元件，即在传感器端部有一个由二氧化锆做成的试管状的套管，传感器内侧通大气，外侧暴露在排气中。发动机排出的废气，穿过装在排气歧管中的氧传感器的端部，与二氧化锆的外侧接触。空气从传感器的另一端进入，与套管的内侧接触。套管的内外表面覆盖了薄层多孔铂(白金)作为电极，内表面是负极，外表面是正极。铂起催化作用，使排气中的氧与一氧化碳反应，减少排气中的含氧量，提高传感器的灵敏度。一般在外侧电极表面还有一个多孔氧化铝陶瓷保护层，它可以防止废气烧蚀电极，但废气能够渗进保护层与电极接触。原理

氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21％，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。

传感器原理课程简介 篇9

（Sensors Principle）

课程编号：X1602007课程类别：专业选修学时：32学分：2考核方式：随堂 课程目的：本课程是针对物联网方向本科学生开设的一门专业课程。通过《传感器原理》课程的学习，使学生掌握基本的传感技术原理，了解常规敏感元器件的工作原理和特性，掌握常见物理量的检测方法和传感器选型，提高解决实际测量及控制问题的能力。

课程内容：传感与检测技术的理论基础、传感器概述、应变式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器

教材：郁有文编 《传感器原理及工程应用》西安电子科技大学出版社，2005年。主要参考书目：

[1] 陈杰著，《传感器与检测技术》，高等教育出版社，2006年

加速度传感器工作原理 篇10

关键词：时间序列分析；卡尔曼滤波；四元数姿态解析；高速列车

中图分类号：TN713；V241.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 16-0000-01

目前我国的CRH型动车列控系统中的速度控制单元主要是列车自动保护装置。正常情况下，列车是以一定的间隔时间与间隔距离追踪运行的，由列车测速测距系统自动检测列车实际运行位置，自动监测列车行走距离。采集的。但高速列车在运行中会出现空转与打滑现象，使列车实际速度计算与走行距离计算存在误差。实现组合导航采用最优估计法，即采用现代控制理论中的卡尔曼滤波或者维纳滤波，从概率统计最优的角度估算出系统误差并消除之。

一、列车姿态测量平台搭建

列车姿态测量平台是由MEMS惯性测量器件、STM32主控芯片和相应的软件组合而成，它可以实时提供载体的位置、速度及运动姿态等惯性导航信息。

MEMS惯性测量器件。本姿态测量平台所涉及的MEMS器件包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度传感器。

搭载ADIS16360的列车检测系统。设计选用了ST公司最新推出的高性能ARM Cortex-M3 32位RISC内核的芯片STM32F103ZET6作为IMU数据采集处理系统的控制核心。在系统的功耗上和系统的稳定性上有极大的所优化。数据采集模块是STM32单片机。

二、IMU随机漂流处理

（一）惯性器件随机漂流的时间序列分析建模。陀螺仪是IMU中在运载体角运动进行测量的器件，对惯导系统的姿态误差产生直接的影响。陀螺仪的误差主要体现为漂移和刻度系数误差这两类随机误差，陀螺仪的确定性漂移经标定后能够得到较好的补偿，但剩余的随机漂移是一个十分复杂的随机过程。

陀螺仪的输出主要包含逐次启动漂移，快变漂移和慢变漂移。逐次启动漂移取决于启动时刻的环境条件和电气参数等随机性因素，这种分量可以用随机常数描述。慢变漂移是陀螺仪在随机常数分量的基础上以较慢的速率变化，可用一阶马尔柯夫过程对慢变漂移描述。快变漂移是在启动漂移和慢变漂移的基础上的杂乱无章的跳变，可抽象化为白噪声过程。

ADIS16360内部采集电路已经对加速度传感器采集数据进行了校正和滤波，下面以陀螺仪的X轴角速度输出为例，进行时间序列建模。

IMU的输出信号包含常值分量和随机分量，对于常值分量可以通过求均值的方法去掉。利用最小二乘拟合法去掉IMU信号的趋势项保证平稳性。

时间序列分析法是把一个高度相关的平稳随机时间序列看作是由各时刻相关的随机时间序列和白噪声所组成，进行估计参数和拟合曲线。ARMA模型是研究时间序列的重要方法，由自回归模型AR（n）与滑动平均模型MA（m）为基础“混合”构成。

若随机序列称为时间序列或ARMA（n，m）序列，则满足

Y（k）=α1Y（k-1）…αnY（k-n）+β1ε（k-1）+…βmε（k-m）

上述公式中ε（k）是方差为σ2ε的随机序列。

这表示，ARMA（n，m）序列可视为白噪声序列{ε（k）}通过线性系统产生的有色噪声序列。

（二）卡尔曼滤波。将实际测量得到的MEMS陀螺仪漂移数据作为该卡尔曼滤波器的输入，对其进行滤波处理。根据上述过程建立卡尔曼滤波器对X轴随机误差进行滤波。一直X轴随机误差ARMA（2，1）模型为：

xt=0.7986xt-1-0.3376xt-2+0.815αt-1+αt

对比可以知道经过卡尔曼滤波的后的数据变得可靠。本设计采集高速列车在启动和转弯时陀螺仪数据，并进行ARMA（2，1）模型建立和进行卡尔曼滤波。根据陀螺仪的各轴数据进行ARMA（2，1）建模。列车转向时陀螺仪X轴输出的角速度信息，经过滤波后的数据协方差明显减少，适合用来进行姿态解算。

从滤波结果可以直观地看出，滤波后的噪声幅度有逐渐减小趋势。功率谱估计的结果也显示基于ARMA（2，1）模型的卡尔曼一次滤波的分贝数也有所下降可见，经卡尔曼滤波后滤波具有极好的实时性。

三、姿态解算与互补滤波

本设计在进行姿态解算時采用四元数法对陀螺仪求得的角速度值进行计算。

（一）四元数法更新姿态。静态时由卡尔曼滤波处理后的陀螺仪输出角速度进行四元数求解解决了在解算俯仰角接近90度时方程会出现退化现象，物体俯仰、横滚、导航角依旧具有一定漂移，无法获知运动物体初始的姿态信息。

（二）互补滤波。互补滤波是由加速度传感器测得的三轴加速度值与重力加速度的几何关系求解出运动的横滚角和俯仰角，将该方法求得的角度与四元数法求得的横滚角与俯仰角进行实时融合，纠正原来的角度的漂移和进行运动物体初始角度确定。

本设计在进行姿态解算时采用四元数法对陀螺仪求得的角速度值进行计算。

将列车走行距离图与陀螺仪转向角进行对比一致，可知本列车安全检测系统可对列车进行姿态进行有效准确测量。

四、结束语

本文设计了基于IMU的列车姿态测量平台方案，建立了随机漂移的ARMA（2，1）模型，可准确描述陀螺仪随机漂移。推导了离散卡尔曼滤波算法，建立了离散卡尔曼滤波的系统方程和量测方程，有效地减小了随机漂移误差。四元数法对陀螺仪输出进行姿态更新，仿真实验表明该方法计算精度高，有效避免欧拉角法出现的退化现象。使用加权融合滤波的方式对姿态角进行补偿，使得姿态角输出描述趋于准确。在此基础上，运用加速度传感器测量数据做积分计算，得到列车行进的速度、走行距离数据，有效地计量列车运行状态，对列车安全检测起到至关重要作用。

参考文献：

[1]邓自立.自回归模型的补偿偏差最小二乘法辨识[J].黑龙江大学自然科学学报，1981（02）：10-20.

[2]陆芳.MIMU中陀螺随机漂移建模及Kalman滤波技术研究[D].中北大学，2007.