第三節 加速度傳感器
具有ABS、ASR、ESP的汽車，除了車輪轉速傳感器外都裝有加速度傳感器，用以測量汽車行駛時的縱向和橫向加速度。另外，為了保持汽車行駛舒適性，也需要測量垂直加速度，用于控制汽車的垂直振動。
一、加速度傳感器的分類
加速度傳感器有多種分類方式。例如按檢測方式可以分為電容式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器和壓電式加速度傳感器；按敏感軸數量可以分為單軸加速度傳感器、雙軸加速度傳感器和三軸加速度傳感器；按輸出信號可以分為模擬式加速度傳感器和數字式加速度傳感器。
1.電容式加速度傳感器
電容式加速度傳感器是通過將電容的可動電極用運動的質量塊來代替，當質量塊在加速度的作用下發生位移時，質量塊與固定極板間的電容量也隨之發生變化，通過外圍的檢測電路即可測出這種電容的變化量，由此便可間接地測量出物體的加速度大小。典型的電容式加速度傳感器的結構示意圖如圖2-5所示。
圖2-5 電容式加速度傳感器的結構示意圖
與其他類型的加速度傳感器相比，電容式加速度傳感器具有較高的靈敏度和測量精度、良好的穩定性、較小的溫度漂移、極低的功耗等優點；但它也存在著工作帶寬窄、信號處理電路復雜、抗電磁干擾能力差等缺點。
2.壓阻式加速度傳感器
壓阻式加速度傳感器是利用敏感材料的壓阻效應制成的，當敏感材料在敏感軸方向受到壓力的作用而發生形變時，敏感材料的電阻率也隨之發生變化，該現象被稱為壓阻效應，利用該效應制成的加速度傳感器被稱為壓阻式加速度傳感器，如圖2-6所示。
圖2-6 壓阻式加速度傳感器的結構示意圖
當質量塊在材料敏感軸方向受到加速度作用而對敏感材料施加一定的壓力，相應的敏感材料的電阻值就會發生變化，通過惠斯通電橋電路就可以對電阻值變化進行測量，以達到間接測量物體所受加速度大小的目的。
壓阻式加速度傳感器具有加工工藝簡單、成本低、結構和輸出電路簡單、線性度好等優點；但同時也存在溫度漂移過大、靈敏度較低的缺點。
3.壓電式加速度傳感器
壓電式加速度傳感器的結構與壓阻式加速度傳感器結構類似，只是將壓阻材料替換為壓電材料，以此來完成對物體所受加速度的測量。壓電式加速度傳感器的工作原理是應用敏感材料的壓電效應，如圖2-7所示。
圖2-7 壓電式加速度傳感器的結構示意圖
當質量塊在受到加速度作用以后，會對敏感材料產生一定的壓力，這壓力使得壓電材料的表面積累一定量的電荷，通過外圍放大電路可將這些電荷加以檢測，由于輸出電荷信號與物體所受的加速度大小成比例，因此便可達到測量物體所受加速度大小的目的。
壓電式加速度傳感器具有結構簡單、穩定性好、耐高溫、輸出線性好等優點；但由于壓電材料極化產生的是直流電荷，故在低頻下進行壓電測量時就變得很困難，而且很難對壓電材料進行COMS工藝集成。
除上述三種應用最為廣泛的加速度傳感器之外，由于測量原理的不同，還有一些新型的加速度傳感器也正在成為人們關注和研究的對象。
諧振式加速度傳感器是通過作用在諧振器上的應力大小隨著加速度的不同而發生變化，導致該諧振器頻率也會相應的發生變化，以此來測量傳感器所受到的加速度大小。此類傳感器的優點是可以直接數字輸出測量結果，測量精度高，但熱激勵源偶爾引起的熱應力也會影響測量精度，而且結構復雜。
隧道電流式加速度傳感器是通過質量塊因加速度作用導致其尖端和襯底間的常電流發生變化，以此來測得輸入加速度的大小。它具有極高的靈敏度、固有頻率和測量精度，但在低頻下卻存在噪聲。
光纖加速度傳感器是利用因加速度導致光纖形變而引起反射光的強度、偏振面、光波長等隨之改變的原理研制的。
電磁式加速度傳感器是通過利用磁鋼、銅環及線圈之間的相對振動來感生出與加速度成正比的電壓信號，以此來完成對加速度的測量。
二、霍爾加速度傳感器
霍爾加速度傳感器結構示意圖如圖2-8所示，主要由霍爾傳感器、永久磁體、彈簧、阻尼板等組成。圖中，a為檢測到的橫向加速度；Φ為磁場；U0為供電電壓；UH為霍爾電壓；IW為阻尼板上的電流。
圖2-8 霍爾加速度傳感器的結構示意圖
霍爾加速度傳感器有一個豎放的帶狀彈簧，一端夾緊，另一端固定著永久磁體，以作為振動質量。在永久磁體上面是帶有信號處理集成電路的霍爾傳感器，在下面有一塊銅阻尼板。如果傳感器感受到橫向加速度，則傳感器的彈簧質量系統離開它的靜止位置而偏移，偏移程度與加速度大小有關。運動的永久磁體在霍爾元件中產生霍爾電壓，經過信號處理集成電路處理后輸出信號電壓，它隨加速度增加而線性增加。加速度范圍為±1g，傳感器頻率很低，只有幾赫茲，并具有阻尼作用。
加速度傳感器已被廣泛應用于汽車電子領域，主要集中在車身操控、安全系統和導航，典型應用如汽車安全氣囊、ABS、ASR、ESP、電控懸掛系統、導航等。
加速度傳感器針對不同的應用場景，在特性上體現為不同的規格。用戶需根據自身的具體需要選取最適合的產品。加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程、靈敏度及解析度等元件的特性。滿量程表示傳感器可測量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與模數轉換器等級有關，是產生測量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入參數最小增量。除此之外，模擬式加速度傳感器輸出值為電壓，還需要在系統中添加模數轉換器；數字式加速度傳感器的接口芯片中已經集成了模數轉換電路，可直接以SPI（串行外設接口）或I2C總線等實現數字傳輸。