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摘 要：加速度计是测量运载体线加速度的仪表。本文在拓展了对高中所学动力学知识的基础上，研究了加速度计的构造原理、工作特点以及应用状况，旨在解决利用打点计时器计算加速度过于繁琐的问题，力求能够直接测量加速度，并在实际生活中广泛应用。
关键词：加速度计；构造原理；工作特点；应用；研究
在高中物理学习过程中，由于利用打点计时器计算加速度的方法过于繁琐，我希望寻找简洁的方法可以直接测量加速度。我在查阅资料的基础上，通过拆开并观察多个废旧“加速度计”，研究了加速度计的构造原理、工作特点以及应用状况。
一、加速度计的原理
加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
加速度计的结构模型如图所示：它采用物体弹簧阻尼器系统来感应加速度。当加速度计连同物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起做加速运动时，物体就受到惯性力的作用向相反的方向运动。物体发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，物体具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），物体的位移也发生相应的变化。另一方面，当物体发生位移时，感应器之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了物体的位移。既然物体的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测出加速度的数值。
二、加速度计的工作特点
加速度计的种类较多，在学习过程中，我主要对以下几种加速度计进行了比较研究：
（一）隧道电流式
隧道电流式加速度计的工作原理是利用电子势垒隧道效应，把物体运动的加速度转换为物体的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化量，然后用检测电路测出电流变化量从而测得物体运动的加速度大小。隧道电流式加速度计频带宽、灵敏度极高，大约在10-9g 左右，温度效应小，又由于待测物体运动的范围较小，因而线性度好，可靠性高。
（二）电容式
电容式加速度计的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器，其工作原理是在物体加速运动时，发生位移，这样就会改变物体和电极之间的电容，将这种变化量用电信号检测出来就可测量加速度的大小。电容式加速度计有许多优点，比如灵敏度高、有较好的直流响应特性、低温度效应和低功率耗散。但是，由于传感器阻抗很大，所以易受电磁干扰影响。
（三）压阻式
压阻式加速度计通常采用压敏电阻作为敏感元件，压敏电阻的电阻率变化与质量块的位移有关，其工作原理是将被测加速度转换为硅材料的电阻率变化来进行加速度的测量。
压阻式加速度计的结构通常很简单，加工工艺与IC 技术兼容，具有良好的直流响应特性。但是灵敏度很小（在20～50g 量程下约为1～2mV/g） ，温度效应严重，动态范围有限。
（四）压电式
压电式加速度计的敏感元件是压电材料，压电材料将直接作用于物体的力转换为电信号。固定着加速度计的物体与压电材料连接，当物体加速运动时，壓电材料和物体之间就有了作用力，使压电材料发生变形，压电材料发生的形变量和由此引起的电压变化量与加速度成正比，输出电压经放大后就可检测出加速度的大小。
三、加速度计的应用
（一）汽车安全装置
加速度计在汽车安全控制方面较为常见，如多气囊开启和防抱死系统、车轮的操纵和自动刹车等，这已经成为现代汽车的标配。
加速度计的快速反应，在汽车安全行使中非常重要。安全气囊是保证汽车行驶安全性的约束装置，当汽车发生激烈撞碰时，汽车运动的加速度急剧增大，加速度计发出控制信号，立即给气囊发送指令，瞬间弹出气囊，并给气囊迅速充气，安全气囊就会挡住司机及乘车人员的头及胸部，避免人与挡风玻璃和汽车车身发生撞击，从而保护了乘车人员的安全。
汽车防抱死系统是加速度计用于汽车安全的又一重要应用。当汽车在崎岖的山路上行使，又逢雨雪天气时，汽车极容易发生侧滑，在司机还来不及反应时，加速度计就会先给汽车刹车系统发出信号，调整汽车刹车力度，进行紧急刹车，从而延长司机的可控时间，避免造成车毁人亡事故。
此外，在汽车车体移动、汽车定位、防盗报警、自动导航、定速行驶等方面，加速度计也得以广泛应用，如今这些功能已经成为大家选择汽车的重要参数，加速度计给我们的生活带来了安全保障。
（二）地层勘探
在地层勘探中，加速度计也作用非凡。在一定区域内，埋入定量测量地震波型及强度的加速度计，根据波形的变化情况，就能够判断地下在什么位置、有哪种矿产。在地震勘探中，由于要求高分辨率、高保真，现有技术还不能满足要求，这也是我有很兴趣去研究的课题。
（三）机器人状态控制
对机器人控制系统来说，加速度是一个重要的状态变量。对于各自由度的位置控制，可利用加速度计获得机器人的加速度，对加速度进行一次积分可以获得机器人的速度，对加速度进行二次积分可获得机器人的位置，从而根据这些信息形成反馈校正。加速度计不仅已被广泛的应用于仪器仪表、汽车启动检测、地震检测、工程测振等各种振动测试与分析，而且在商业领域也占据了广泛的市场，对加速度计的深入研究行业前景可观！
参考文献：
[1]张艳凤.压阻式加速度传感器的研究[D].长春理工大学，2004.2.18.
[2]高鹏，黄国胜.MEMS加速度计的原理及运用[J].2006.12.19.
[3]李圣怡，刘宗林，吴学忠.微加速度研究的进展[J].国防科技大学学报，2004.26（6）.
关键词：加速度计；构造原理；工作特点；应用；研究
在高中物理学习过程中，由于利用打点计时器计算加速度的方法过于繁琐，我希望寻找简洁的方法可以直接测量加速度。我在查阅资料的基础上，通过拆开并观察多个废旧“加速度计”，研究了加速度计的构造原理、工作特点以及应用状况。
一、加速度计的原理
加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
加速度计的结构模型如图所示：它采用物体弹簧阻尼器系统来感应加速度。当加速度计连同物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起做加速运动时，物体就受到惯性力的作用向相反的方向运动。物体发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，物体具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），物体的位移也发生相应的变化。另一方面，当物体发生位移时，感应器之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了物体的位移。既然物体的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测出加速度的数值。
二、加速度计的工作特点
加速度计的种类较多，在学习过程中，我主要对以下几种加速度计进行了比较研究：
（一）隧道电流式
隧道电流式加速度计的工作原理是利用电子势垒隧道效应，把物体运动的加速度转换为物体的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化量，然后用检测电路测出电流变化量从而测得物体运动的加速度大小。隧道电流式加速度计频带宽、灵敏度极高，大约在10-9g 左右，温度效应小，又由于待测物体运动的范围较小，因而线性度好，可靠性高。
（二）电容式
电容式加速度计的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器，其工作原理是在物体加速运动时，发生位移，这样就会改变物体和电极之间的电容，将这种变化量用电信号检测出来就可测量加速度的大小。电容式加速度计有许多优点，比如灵敏度高、有较好的直流响应特性、低温度效应和低功率耗散。但是，由于传感器阻抗很大，所以易受电磁干扰影响。
（三）压阻式
压阻式加速度计通常采用压敏电阻作为敏感元件，压敏电阻的电阻率变化与质量块的位移有关，其工作原理是将被测加速度转换为硅材料的电阻率变化来进行加速度的测量。
压阻式加速度计的结构通常很简单，加工工艺与IC 技术兼容，具有良好的直流响应特性。但是灵敏度很小（在20～50g 量程下约为1～2mV/g） ，温度效应严重，动态范围有限。
（四）压电式
压电式加速度计的敏感元件是压电材料，压电材料将直接作用于物体的力转换为电信号。固定着加速度计的物体与压电材料连接，当物体加速运动时，壓电材料和物体之间就有了作用力，使压电材料发生变形，压电材料发生的形变量和由此引起的电压变化量与加速度成正比，输出电压经放大后就可检测出加速度的大小。
三、加速度计的应用
（一）汽车安全装置
加速度计在汽车安全控制方面较为常见，如多气囊开启和防抱死系统、车轮的操纵和自动刹车等，这已经成为现代汽车的标配。
加速度计的快速反应，在汽车安全行使中非常重要。安全气囊是保证汽车行驶安全性的约束装置，当汽车发生激烈撞碰时，汽车运动的加速度急剧增大，加速度计发出控制信号，立即给气囊发送指令，瞬间弹出气囊，并给气囊迅速充气，安全气囊就会挡住司机及乘车人员的头及胸部，避免人与挡风玻璃和汽车车身发生撞击，从而保护了乘车人员的安全。
汽车防抱死系统是加速度计用于汽车安全的又一重要应用。当汽车在崎岖的山路上行使，又逢雨雪天气时，汽车极容易发生侧滑，在司机还来不及反应时，加速度计就会先给汽车刹车系统发出信号，调整汽车刹车力度，进行紧急刹车，从而延长司机的可控时间，避免造成车毁人亡事故。
此外，在汽车车体移动、汽车定位、防盗报警、自动导航、定速行驶等方面，加速度计也得以广泛应用，如今这些功能已经成为大家选择汽车的重要参数，加速度计给我们的生活带来了安全保障。
（二）地层勘探
在地层勘探中，加速度计也作用非凡。在一定区域内，埋入定量测量地震波型及强度的加速度计，根据波形的变化情况，就能够判断地下在什么位置、有哪种矿产。在地震勘探中，由于要求高分辨率、高保真，现有技术还不能满足要求，这也是我有很兴趣去研究的课题。
（三）机器人状态控制
对机器人控制系统来说，加速度是一个重要的状态变量。对于各自由度的位置控制，可利用加速度计获得机器人的加速度，对加速度进行一次积分可以获得机器人的速度，对加速度进行二次积分可获得机器人的位置，从而根据这些信息形成反馈校正。加速度计不仅已被广泛的应用于仪器仪表、汽车启动检测、地震检测、工程测振等各种振动测试与分析，而且在商业领域也占据了广泛的市场，对加速度计的深入研究行业前景可观！
参考文献：
[1]张艳凤.压阻式加速度传感器的研究[D].长春理工大学，2004.2.18.
[2]高鹏，黄国胜.MEMS加速度计的原理及运用[J].2006.12.19.
[3]李圣怡，刘宗林，吴学忠.微加速度研究的进展[J].国防科技大学学报，2004.26（6）.