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　　加速度傳感器MEMS壓力傳感器的原理是慣性原理,也就是力的平衡,A（加速度）=F（慣性力）/M（質量）我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應于電流的關系。只需要用實驗去標定這個比例系數就行了。當然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
　　現代科技要求加速度傳感器廉價、性能優越、易于大批量生產。在諸如軍工、空間系統、科學測量等領域,需要使用體積小、重量輕、性能穩定的加速度傳感器。以傳統加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應用新興的微機械加工技術制作的微加速度傳感器應運而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實現數字化和智能化。而且,由于微機械結構制作精確、重復性好、易于集成化、適于大批量生產,它的性能價格比很高。可以預見在不久的將來,它將在加速度傳感器市場中占主導地位。
　　微加速度傳感器有電容式、壓阻式、壓電式等形式。
　　電容式
　　電容型加速度傳感器的結構形式一般也采用彈簧質量系統。當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環境適應性好等特點,尤其是受溫度的影響比較小；但不足之處表現在信號的輸入與輸出為非線性,量程有限,受電纜的電容影響,以及電容傳感器本身是高阻抗信號源,因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量,其通用性不如壓電式加速度傳感器,且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。
　　壓電式
　　壓電式傳感器是利用彈簧質量系統原理。敏感芯體質量受振動加速度作用后產生一個與加速度成正比的力,壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產生電荷信號不需要任何外界電源等特點,是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結構簡單,商業化使用歷史也很長,但因其性能指標與材料特性、設計和加工工藝密切相關,因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數以及其穩定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比,其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。
　　壓阻式
　　應變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導體材料制成電阻測量電橋,其結構動態模型仍然是彈簧質量系統。現代微加工制造技術的發展使壓阻形式敏感芯體的設計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面,從低靈敏度高量程的沖擊測量,到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高,測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性,但對某個特定設計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大,實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。在價格方面,大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力,但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠高于壓電型加速度傳感器。

　　1　引　言
　　在高性能的異步電機矢量控制系統中,轉速的閉環控制環節一般是必不可少的。通常,采用光電碼盤等速度傳感器來進行轉速檢測,并反饋轉速信號。但是,由于速度傳感器的安裝給系統帶來一些缺陷：系統的成本大大增加；精度越高的碼盤價格也越貴；碼盤在電機軸上的安裝存在同心度的問題,安裝不當將影響測速的精度；電機軸上的體積增大,而且給電機的維護帶來一定困難,同時破壞了異步電機的簡單堅固的特點；在惡劣的環境下,碼盤工作的精度易受環境的影響。因此,越來越多的學者將眼光投向無速度傳感器控制系統的研究。國外在20世紀70年代就開始了這方面的研究,但首次將無速度傳感器應用于矢量控制是在1983年由R．Joetten完成,這使得交流傳動技術的發展又上了一個新臺階,但對無速度傳感器矢量控制系統的研究仍在繼續。
　　2　無速度傳感器的控制方法
　　在近20年來,各國學者致力于無速度傳感器控制系統的研究,無速度傳感器控制技術的發展始于常規帶速度傳感器的傳動控制系統,解決問題的出發點是利用檢測的定子電壓、電流等容易檢測到的物理量進行速度估計以取代速度傳感器。重要的方面是如何準確地獲取轉速的信息,且保持較高的控制精度,滿足
　　實時控制的要求。無速度傳感器的控制系統無需檢測硬件,免去了速度傳感器帶來的種種麻煩,提高了系統的可靠性,降低了系統的成本；另一方面,使得系統的體積小、重量輕,而且減少了電機與控制器的連線,使得采用無速度傳感器的異步電機的調速系統在工程中的應用更加廣泛。國內外學者提出了許多方法。
　　（1）動態速度估計法　主要包括轉子磁通估計和轉子反電勢估計。都是以電機模型為基礎,這種方法算法簡單、直觀性強。由于缺少無誤差校正環節,抗干擾的能力差,對電機的參數變化敏感,在實際實現時,加上參數辨識和誤差校正環節來提高系統抗參數變化和抗干擾的魯棒性,才能使系統獲得良好的控制效果。
　　（2）PI自適應控制器法　其基本思想是利用某些量的誤差項,通過PI自適應控制器獲得轉速的信息,一種采用的是轉矩電流的誤差項；另一種采用了轉子q軸磁通的誤差項。此方法利用了自適應思想,是一種算法結構簡單、效果良好的速度估計方法。
　　（3）模型參考自適應法（MRAS）　將不含轉速的方程作為參考模型,將含有轉速的模型作為可調模型,2個模型具有相同物理意義的輸出量,利用2個模型輸出量的誤差構成合適的自適應律實時調節可調模型的參數（轉速）,以達到控制對象的輸出跟蹤參考模型的目的。根據模型的輸出量的不同,可分為轉子磁通估計法、反電勢估計法和無功功率法。轉子磁通法由于采用電壓模型法為參考模型,引入了純積分,低速時轉子磁通估計法的改進,前者去掉了純積分環節,改善了估計性能,但是定子電阻的影響依然存在；后者消去了定子電阻的影響,獲得了更好的低速性能和更強的魯棒性。總的說來,MRAS是基于穩定性設計的參數辨識方法,保證了參數估計的漸進收斂性。但是由于MRAS的速度觀測是以參考模型準確為基礎的,參考模型本身的參數準確程度就直接影響到速度辨識和控制系統的成效。
　　（4）擴展卡爾曼濾波器法　將電機的轉速看作一個狀態變量,考慮電機的五階非線性模型,采用擴展卡爾曼濾波器法在每一估計點將模型線性化來估計轉速,這種方法可有效地抑制噪聲,提高轉速估計的精確度。但是估計精度受到電機參數變化的影響,而且卡爾曼濾波器法的計算量太大。
　　（5）神經網絡法　利用神經網絡替代電流模型轉子磁鏈觀測器,用誤差反向傳播算法的自適應律進行轉速估計,網絡的權值為電機的參數。神經網絡法在理論研究還不成熟,其硬件的實現有一定的難度,使得這一方法的應用還處于起步階段。
　　3　結　論
　　異步電機無速度傳感器矢量控制除以上所提及的方法外,還有轉子齒諧波法和高頻注入法。雖然辨識速度的方法很多,但仍有許多問題有待解決,如系統的精度、復雜性和系統的可靠性間的矛盾、低速性能的提高等。今后無速度傳感器控制的研究發展的方向應為：提高轉速估計精度的同時改進系統的控制性能,增強系統的抗干擾,抗參數變化能力的魯棒性,降低系統的復雜性,使得系統結構簡單可靠。隨著現代控制理論、微處理器、DSP器件以及電力電子開關器件的迅速發展,實現高性能的無速度傳感器異步電機的調速系統的前景相當樂觀。

　　在軌道車輛上,車輛系統的穩定性很大程度上取決于它所采集到的速度信號的可靠性和精度,而所采集的速度信號包括當前速度值和速度的變化量。在機車的牽引控制,車輪滑動保護,列車控制,和車門控制過程中都要涉及到速度信號的采集問題。我們可以發現在各種軌道車輛中,這個任務是由許許多多的速度傳感器來完成的。
　　在過去,用來測速的傳感器通常性能不穩定,而且容易出現故障,經常引起車輛事故。主要原因是早期使用的主要是模擬傳感器,而當時使用的數字傳感器效果也很差。造成上述速度傳感器問題的主要原因是軌道車輛應用的環境都極度惡劣。
　　德國 Lenord+Bauer公司經過多年的研究和實際經驗的積累,開發出高品質的多功能的速度傳感器,而且性能非常穩定,廣泛應用于工況惡劣的軌道列車行業。
　　無軸承速度傳感器
　　雖然有些軌道列車不用傳感器,但是大多數的機車控制系統都要用到速度傳感器。
　　最常用的速度傳感器類型是雙通道速度傳感器。該傳感器直接掃描機車電機軸上或減速機上的齒輪,因此,傳感器本身不需要帶軸承。
　　該目標測量齒輪既可以根據用戶的要求特殊定做,也可以利用設備中現有的測量齒輪。
　　該速度傳感器利用磁場調制原理適用于模數為1和模數為3.5 的鐵磁體測量輪。被測齒輪的齒的形狀也是一個重要的因素,因為該速度傳感器能夠測量的是方形齒齒輪和帶漸開線齒齒輪。根據測量輪的直徑和齒數,該速度傳感器的分辨率在每圈60個脈沖到每圈300個脈沖之間,能滿足一般機車電機驅動器的要求。
　　這種類型的速度傳感器通常有2個霍爾傳感器,永磁體,和信號處理電路組成。當速度傳感器掃描旋轉的齒輪時,永磁體的磁場發生變化。磁場的變化被霍爾傳感器記錄下來,在電路的比較環節被轉換成方波,在驅動環節被放大。
　　然而,霍爾傳感器的性能受溫度影響很大。所以決定速度傳感器的靈敏度和信號的相位差的因素不只是齒輪的安裝氣隙,還取決于溫度。溫度的影響大大降低了傳感器和齒輪之間的安裝氣息的最大允許值。在室溫下,一個標準的模數為2的測量齒輪安裝氣隙可以做到2-3mm,但是當所需的溫度范圍在-40度到+120度時,最大允許氣隙降到了1.3mm。
　　我們通常要求我們的測量齒輪不但分辨率要高,而且體積要小,所以在這種要求下,測量輪的最大氣息就越小。模數是1的高分辨率小齒輪的允許最大氣隙范圍在0.5-0.8mm。
　　對于設計工程師來說,傳感器的氣隙,如果速度傳感器要求的安裝氣隙越小,對設備整體的設計要求就高。安裝氣隙允許的范圍小,就限制了被測電機外殼的機械安裝公差和測量齒輪對于輸出信號的允許誤差范圍 。所以,對于機車電機的制造廠家和操作人員來說都愿意選擇安裝氣隙范圍較大的速度傳感器。
　　在實際操作過程中,速度傳感器輸出信號的幅值隨著安裝氣隙的增大而迅速減小。對于傳感器的生產商來說,他們需要盡可能的對信號幅制進行補償,同時對相位差也要進行相應的補償。通常的做法是測出傳感器工作的溫度,從而根據溫度信息對相位差進行補償,這就是我們通常說的溫度補償。但是,這樣做也有兩個缺點：第一,信號的相位差和溫度并不成線性關系。第二,并不是每一個傳感器的相位差都是一樣的。所以,傳統的傳感器對溫度的適應性有待于提高
　　新一代的Lenord+Bauer速度傳感器找到了一種新的方法來解決傳統傳感的缺點。它采用一種集成的信號處理器來調整信號的幅值和相位差,從而使傳感器的安裝氣隙增大到原來的2倍左右。使用這種傳感器,對于模數為1的測量齒輪,安裝氣隙可以到1.4mm,比傳統傳感測量模數為2的齒輪的安裝氣隙還要大。而對于新一代的傳感器,模數為2的齒輪,安裝氣隙可達2.2mm。同時,新一代的傳感器大大提高了信號的質量。面對同樣的氣隙波動和溫度變換,新傳感器兩個通道信號的占空比和相位偏移的穩定性是傳統傳感器的3倍。
　　而且,雖然新傳感器的電路較復雜,但是它的MTBF值比傳統傳感器高。新傳感器不僅提供的信號精度比原高,而且信號的可用性也比原來好。