加速度計構(gòu)造原理、工作特點及應(yīng)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(xué)動力學(xué)知識的基礎(chǔ)上，研究了加速度計的構(gòu)造原理、工作特點以及應(yīng)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(yīng)用。

關(guān)鍵詞：加速度計；構(gòu)造原理；工作特點；應(yīng)用；研究

在高中物理學(xué)習(xí)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(chǔ)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(gòu)造原理、工作特點以及應(yīng)用狀況。

一、加速度計的原理

加速度計的理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內(nèi)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(jié)構(gòu)模型如圖所示：它采用物體彈簧阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)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(fā)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(yīng)的關(guān)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(fā)生相應(yīng)的變化。另一方面，當物體發(fā)生位移時，感應(yīng)器之間的電容就會發(fā)生相應(yīng)的變化；如果測得感應(yīng)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(yīng)關(guān)系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關(guān)系，即通過輸出電壓就能測出加速度的數(shù)值。

二、加速度計的工作特點

加速度計的種類較多，在學(xué)習(xí)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(yīng)，把物體運動的加速度轉(zhuǎn)換為物體的相對位移，再通過隧道效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)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(yōu)點，比如靈敏度高、有較好的直流響應(yīng)特性、低溫度效應(yīng)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(zhì)量塊的位移有關(guān)，其工作原理是將被測加速度轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)通常很簡單，加工工藝與IC 技術(shù)兼容，具有良好的直流響應(yīng)特性。但是靈敏度很?。ㄔ?0～50g 量程下約為1～2mV/g） ，溫度效應(yīng)嚴重，動態(tài)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(zhuǎn)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(fā)生變形，壓電材料發(fā)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(jīng)放大后就可檢測出加速度的大小。

三、加速度計的應(yīng)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(tǒng)、車輪的操縱和自動剎車等，這已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的標配。

加速度計的快速反應(yīng)，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(fā)生激烈撞碰時，汽車運動的加速度急劇增大，加速度計發(fā)出控制信號，立即給氣囊發(fā)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(fēng)玻璃和汽車車身發(fā)生撞擊，從而保護了乘車人員的安全。

汽車防抱死系統(tǒng)是加速度計用于汽車安全的又一重要應(yīng)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(fā)生側(cè)滑，在司機還來不及反應(yīng)時，加速度計就會先給汽車剎車系統(tǒng)發(fā)出信號，調(diào)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(dǎo)航、定速行駛等方面，加速度計也得以廣泛應(yīng)用，如今這些功能已經(jīng)成為大家選擇汽車的重要參數(shù)，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(qū)域內(nèi)，埋入定量測量地震波型及強度的加速度計，根據(jù)波形的變化情況，就能夠判斷地下在什么位置、有哪種礦產(chǎn)。在地震勘探中，由于要求高分辨率、高保真，現(xiàn)有技術(shù)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(tài)控制

對機器人控制系統(tǒng)來說，加速度是一個重要的狀態(tài)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(jù)這些信息形成反饋校正。加速度計不僅已被廣泛的應(yīng)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(yè)領(lǐng)域也占據(jù)了廣泛的市場，對加速度計的深入研究行業(yè)前景可觀！

參考文獻：

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