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三轴加速度传感器原理及应用分析

发布时间:2020-02-20

【导读】在加速度传感器中有一种是三轴加速度传感器,同样的它是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。
 
三轴加速度传感器原理
在加速度传感器中有一种是三轴加速度传感器,同样的它是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的,因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角,通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。
 
目前的三轴加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化,通过相应的放大和滤波电路进行采集。这个和普通的加速度传感器是基于同样的原理,所以在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。对于多数的传感器应用来看,两轴的加速度传感器已经能满足多数应用。但是有些方面的应用还是集中在三轴加速度传感器中例如在数采设备,贵重资产监测,碰撞监测,测量建筑物振动,风机,风力涡轮机和其他敏感的大型结构振动。
 
三轴加速度传感器原理及应用分析
 
三轴加速度传感器优点
三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质。
 
三轴加速度传感器原理及应用分析
 
三轴加速度传感器应用
1、车身安全、控制及导航系统中的应用
加速度传感器已被广泛应用于汽车电子领域,主要集中在车身操控、安全系统和导航,典型的应用如汽车安全气囊(Airbag)、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序(ESP)、电控悬挂系统等。
 
目前车身安全越来越得到人们的重视,汽车中安全气囊的数量越来越多,相应对传感器的要求也越来越严格。整个气囊控制系统包括车身外的冲击传感器(Satellite Sensor)、安置于车门、车顶,和前后座等位置的加速度传感器(G-Sensor)、电子控制器,以及安全气囊等。电子控制器通常为16位或32位MCU,当车身受到撞击时,冲击传感器会在几微秒内将信号发送至该电子控制器。
 
随后电子控制器会立即根据碰撞的强度、乘客数量及座椅/安全带的位置等参数,配合分布在整个车厢的传感器传回的数据进行计算和做出相应评估,并在最短的时间内通过电爆驱动器(Squib Driver)启动安全气囊保证乘客的生命安全。
 
通常仅靠ABS和牵引控制系统无法满足车辆在弯曲路段上的行车安全要求。该场合下电子稳定性控制系统 (ESC) 就能够通过修正驾驶员操作中的转向不足或过度转向,来控制车辆使其不偏离道路。该系统通过使用一个陀螺仪来测量车辆的偏航角,同时用一个低重力加速度传感器来测量横向加速度。将所得测量数据与通过行驶速度和车轮倾斜角两项数据计算得到的结果进行比对,从而调整车辆转向以防止发生侧滑。
 
除了车身安全系统这类重要应用以外,目前加速度传感器在导航系统中的也在扮演重要角色。 其主要利于GPS卫星信号实现定位。而当进入卫星信号接收不良的区域或环境中,如遂道、高楼林立、丛林地带,就会因失去信号而丧失导航功能。基于MEMS技术的3轴加速度传感器配合陀螺仪或电子罗盘等元件一起可创建方位推算系统(DR, Dead Reckoning),对GPS系统实现互补性应用。
 
2、硬盘抗冲击防护
目前由于海量数据对存储方面的需求,硬盘和光驱等元器件被广泛应用到笔记本电脑、手机、数码相机/摄相机、便携式DVD机、PMP等设备中。便携式设备由于其应用场合的原因,经常会意外跌落或受到碰撞,而造成对内部元器件的巨大冲击。
 
为了使设备以及其中数据免受损伤,越来越多的用户对便携式设备的抗冲击能力提出要求。
 
一般便携式产品的跌落高度为1.2~1.3米,其在撞击大理石质地面时会受到约50KG的冲击力,硬盘等高速旋转的器件却在此类冲击下显得十分脆弱。
 
如果在硬盘中内置3轴加速度传感器,当跌落发生时,系统会检测到加速的突然变化,并执行相应的自我保护操作,如关闭抗震性能差的电子或机械器件,让磁头复位,以减少硬盘的受损程度。
 
3、消费产品中的创新应用
3轴加速度传感器为传统消费及手持电子设备实现了革命性的创新空间。其可被安装在游戏机手柄上,作为用户动作采集器来感知其手臂前后、左右,和上下等的移动动作,并在游戏中转化为虚拟的场景动作如挥拳、挥球拍、跳跃、甩鱼竿等,把过去单纯的手指运动变成真正的肢体和身体的运动,实现比以往按键操作所不能实现的临场游戏感和参与感。
 
此外,3轴加速度传感器还可用于电子计步器,人在走动的时候会产生一定规律性的振动,而加速度传感器可以检测振动的过零点,从而计算出人所走的步或跑步所走的步数,从而计算出人所移动的位移。并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。
 
为电子罗盘(3D Compass)提供补偿功能,如果不带倾斜校正的电子指南针,需要用户水平放置。而利用加速度传感器可以测量倾角的这一原理,可以对电子指南针的倾斜进行补偿。
 
也可用于数码相机的防抖,检测手持设备的振动/晃动幅度,当振动/晃动幅度过大时锁住照相快门,使所拍摄的图像永远是清晰的。
 
3轴加速度传感器的应用范围很广, 还能用于手持设备的姿态识别和UI操作。例如借助3轴加速度传感器,手持设备可实现画面自动转向。
 
设备显示的画面和信息会根据用户的动作而自动旋转。其通过内部传感器对重力向量的方向检测来确定设备处于水平或垂直状态,并自动调整显示状态,给用户带来方便。
 
4、趣味性扩展功能
3轴加速度传感器对用户操控动作的转变还可转化为许多趣味性的扩展功能上,如虚拟乐器、虚拟骰子游戏,以及“闪讯”(Wave Message)等。
 
虚拟乐器内置的加速度传感器可检测用户对手持设备的挥动来控制乐器的节奏和音量等;骰子游戏也采用类似的原理,通过对挥动等动作的感知来控制虚拟骰子的旋转速度,并借助内部数学模型抽象的物理定律决定其停止的时间。
 
“闪讯”是一个更富有想象力的应用,用户可利用此功能在空中进行文字编辑。“闪讯”即让手持设备通过加速度传感器捕捉用户在空中模拟写字的快速动作,主要适合较暗的环境下使用。手持设备上会安装发光的LED,由于人眼视网膜的视觉暂留现象,其在空中挥动的动作会在其眼中留下短暂的连续画面,完成写字的所有动作笔顺。
 
随着MEMS微电子机械系统技术在传感器领域中的广泛应用,使得加速度传感器的体积变得更加轻便、性能得到明显提升。
 
 
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