关于加速度计，你所应该知道的！

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F=ma，这是一个伟大的公式，牛顿的牛逼在于能从稀松平常的小事中发现宇宙的规律，让人知道了力、质量、加速度的相互关系。

最原始的加速度计，就是一个弹簧、一个重物，再标上刻度：

简简单单，却蕴含着一种神秘的真理（可能你小时候也想到过这个主意）。

后来，人们发明了很多方式来测量加速度，但基本宗旨是将其加速度转换为电能，我们将这种测量设备，称为“加速度计”。

加速度计的工作原理

1. 压电式

压电式加速度计由质量块（公式里的‘m’）、压电材料（通常为压电陶瓷或石英晶体）、外壳组成：

根据压电效应，即某些类型的晶体在受到压力时会产生电压。被测物体的加速度传输到质量块，然后在压电晶体上生成相应的力。这个力会使晶体产生电压，电压与所施加力成正比，因而也与加速度成正比。

实际的压电式加速度计需要内置一个放大电路来放大所产生的电压信号，以及最大程度降低对外部噪声和串扰的敏感度。最终，在输出端就可以通过电压信号去衡量加速度的数值了。

这种内部集成放大电路的压电加速度计，称为“ICP加速度计”。

2. 电容式

电容式加速度计是基于电容极距变化的原理：

图中，当质量块受外力作用运动，会改变质量块与两个固定电极之间的间隙（d1和d2），进而使电容值变化（C1和C2），再通过衡量电容的变化去衡量加速度的数值。

实际上，为了放大信号，电容式加速度计里面不是一对电容，而是一堆电容阵列，规模非常庞大：

你能想象这么多小电容都集成在一颗小小的2mm*2mm芯片上吗？

这就是基于微机电系统工艺的加速度计，它体积更小，在大量生产时成本也更低。

加速度计的频率响应

一般我们会关注加速度计的灵敏度和测量量程等指标，但是还有一个“频率响应”指标也值得关注。

这是因为被测物体常常处于振动状态，所谓“振动”就是以一定频率做往复运动。然而，物体（包括加速度计）有自己的固有频率，当外界振动频率和物体的某阶固有频率相接近时，物体振幅会显著增大，就算是很小的振动源也会引发很大的振动，这种现象称之为“共振”：

如果物体的固有频率与环境振动频率相等，可能会导致物体损坏，如桥梁扭曲坍塌，直升机自毁等。

对于加速度计来说，当共振发生时，其灵敏度就会降低。而频率响应就是描述灵敏度和频率的特性曲线：

一般来说，加速度计的有效带宽是固有频率的1/3，MEMS加速度计的有效带宽比较窄（大约十几KHz），而ICP加速度计的有效带宽更大，所以MEMS加速度计更适用于低频振动的测量（如手机等移动设备），ICP加速度计更适用于高频振动的测量。

另一个需要考量的因素是，如何将加速度计安装到被测物体表面？一般有四种典型的安装方式：

  · 手持式或探针针尖；

  · 磁式；

  · 粘接式；

  · 螺柱安装。

各种连接方法都会影响加速度计的可测量频率。一般而言，连接越松，可测量频率越低。

在加速度计中添加任何质量块，如粘接式或磁式安装基座，都可能会影响加速度计的精度和可用频率范围。螺柱安装是迄今为止最好的安装方式，但需要给被测物体钻孔，通常适用于永久安装的情况。

加速度计的有趣应用

1. 苹果运输过程中的损伤评测

苹果因为受力而产生机械损伤，通俗的说，就是碰坏了。由于力和加速度成正比 (F=ma)，所以监测加速度，就是检测苹果受力的强度。

在运输过程中，由于不同的路面和车辆的因素，产生的加速度也会不同，通过监测物流途中的加速度，我们就能大致评估苹果运过去后是否良好。

2. 环境机械振动人体舒适度评估

人在一个有振动的环境中，可能会感到不适，比如低频振动容易晕、高频振动令人烦躁，长征5号发动机产生的8Hz振动就曾经让杨利伟十分痛苦。

在一些高档轿车、高级酒店等地方，会用到加速度传感器进行人舒适度方面的评估。我不禁联想，现在MEMS传感器这么便宜，是不是中档的也可以玩一玩了？

3. 养殖业振动加速度监测

加速度可以让人感到不适，显然也可以让动物感到不适。据说不爽的情况下，有可能让动物食欲不振、免疫力下降、性欲不旺等等。

现代的环境有大量的振动源，比如马路上的大车、工厂的机械，虽然通过大地传输有很大的损耗，但特定频率的振动仍然可以传输很远，而人未必能感觉到。如果用灵敏的传感器加以监测，有可能捕捉到这种本来被忽视掉的因素，从而给养殖业增产带来新的思路。

来源：威惠智能微信公众号（ID：wiihey），作者：工业物联网。