加速傳感器工作原理及架構(gòu)參考模板

1、加速傳感器工作原理及架構(gòu) 飛思卡爾傳感器產(chǎn)品主要分為三大部分：慣性傳感器、壓力傳感器與安全和報(bào)警IC。其中，慣性傳感器即為加速傳感器，可以用于偵測(cè)傾斜、振動(dòng)及撞擊，因此可以用在汽車乘客安全、振動(dòng)監(jiān)控、 運(yùn)動(dòng)診斷、 防盜裝置、 電器平衡、 地震檢測(cè)、 傾角/傾斜儀及便攜式電子設(shè)備中。加速傳感器可用來偵測(cè)X、Y、Z軸方向的加速度，以類比電壓來表示所偵測(cè)的加速度的大小，在IC內(nèi)部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力感測(cè)單元（負(fù)責(zé)加速度的偵測(cè)）與控制IC單元（負(fù)責(zé)信號(hào)處理）。雙芯片可以分開安置也可以疊放處理。由圖1可知，X軸或Z軸的重力檢測(cè)單元將檢測(cè)到的加速度變化量信號(hào)送到電荷積分器做積分運(yùn)算，而后進(jìn)行取樣、保持

2、及信號(hào)放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補(bǔ)償處理后即可輸出加速度信息。此輸出之類比電壓與偵測(cè)的加速度值會(huì)維持線性比例的特性，不會(huì)受到溫度的影響。 為了說明X軸向g感測(cè)單元的感測(cè)原理，先來回顧電容的物理特性：電容值的大小與電極板的面積大小成正比，和電極板的間隔距離成反比。g感測(cè)單元即利用電容的原理設(shè)計(jì)出來的，在圖2中左上角的小區(qū)塊可以看到，藍(lán)色的部分代表可移動(dòng)的電極板，而在藍(lán)色電極板的上方左偏置與下方右偏置板塊則是固定的電極板，此時(shí)藍(lán)色電極板與左右偏置板形成兩個(gè)電容，當(dāng)藍(lán)色電極板因加速度的影響而改變與左右偏置板的間隔，則使得電容值改變進(jìn)而促使電容電壓值的改變，因此可借此特性計(jì)算出加速

3、度的大小。1 / 11Z 軸向垂直g感測(cè)單元的感測(cè)原理與X軸向g感測(cè)單元的感測(cè)原理相同，只是架構(gòu)有所差異。如圖3所示，紅色的震動(dòng)塊代表可移動(dòng)的電極板，而綠色的頂板與藍(lán)色的底板則是固定的極板。當(dāng)紅色的極板因?yàn)榧铀俣鹊挠绊懚淖兣c上下極板的間隔，則將產(chǎn)生電容值的改變。因此，可借此特性計(jì)算出此加速度的大小。圖3中黑色的部分為彈簧裝置，用來緩沖可移動(dòng)電極板的移動(dòng)。圖4為4 X軸向g單元的SEM照片，顯示了g感測(cè)單元的架構(gòu)，可移動(dòng)極板在兩個(gè)固定極板間左右移動(dòng)，由可移動(dòng)極板與固定極板組成的指狀結(jié)構(gòu)是顯而易見的。圖5顯示了Z軸向g感測(cè)單元的架構(gòu)，左圖中，紅色的區(qū)塊為固定極板，而綠色區(qū)塊則代表可移動(dòng)中板，可移

4、動(dòng)中板是在兩個(gè)固定極板間上下移動(dòng)。這與X軸向g單元的指狀結(jié)構(gòu)是截然不同的。加速傳感器的6種感應(yīng)功能 1）傾斜度偵測(cè)傾斜度偵測(cè)電子羅盤，傾斜儀，文本滾動(dòng)瀏覽/用戶界面，圖像旋轉(zhuǎn)，LCD投影，物理治療法。加速傳感器在靜止時(shí)，可用來檢測(cè)傾斜角，傾斜角在 90 +90 之間變化時(shí)，加速傳感器輸出會(huì)在 1.0g+1.0g之間變化。輸出電壓對(duì)應(yīng)傾斜角的公式如下示：其中：VOUT=加速傳感器的輸出Voff =零加速度V/ G=靈敏度1.0G=地球重力=傾斜角在測(cè)量?jī)A斜角度時(shí)，需考慮傾斜角解析度與AD轉(zhuǎn)換器搭配的問題，在安裝加速傳感器時(shí)需要確保反映軸與地面垂直。圖7給出了MMA1260D 1.5g 加速傳感器

5、的典型角度響應(yīng)，縱軸代表加速傳感器的輸出電壓，橫軸代表傾斜角度，從線型可知，在0度范圍，傾斜角與電壓呈線性變化。而在 90度范圍，傾斜角與電壓則呈現(xiàn)飽和情況。2）運(yùn)動(dòng)檢測(cè) 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可用于運(yùn)動(dòng)控制，計(jì)步器，基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，需要考慮到幾個(gè)因素，包括：如何計(jì)算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測(cè)軸。首先確定位移：計(jì)算位移要將加速度進(jìn)行二重積分，速度部分則是需進(jìn)行一次積分。根據(jù)對(duì)象的不同，g值的范圍在220g之間變化。圖8 給出了跳躍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓輸出變化示意，由圖中可知，當(dāng)跳躍至最高點(diǎn)時(shí)處于無重力的狀態(tài)，當(dāng)落至地面時(shí)加速度出現(xiàn)近似脈沖的波形，由曲線的變化即可判斷具體的運(yùn)動(dòng)情況。3）定

6、位偵測(cè)定位偵測(cè)可用于汽車導(dǎo)航，防盜設(shè)備，地圖跟蹤。定位偵測(cè)需要考慮的因素包括：加速度的范圍是多少及加速傳感器如何安裝。對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二重積分即可得到位置數(shù)據(jù)。此外，由于加速度數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，所以需要進(jìn)行近似積分。如下所示： 在進(jìn)行定位計(jì)算時(shí)，必須假設(shè)初始位置和速度為零，這樣對(duì)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的等式進(jìn)行積分，就是將每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)位置和速度的增量分別與前一個(gè)值相加即可代表積分的運(yùn)算。4）震動(dòng)偵測(cè)震動(dòng)偵測(cè)可用于下降記錄，黑盒子/故障記錄儀，HDD保護(hù)，運(yùn)輸和處理監(jiān)視器。震動(dòng)偵測(cè)只需考慮的因素是選擇g值的范圍。一般按照被測(cè)量對(duì)象的減速度決定了震動(dòng)檢測(cè)所需的加速傳感器的規(guī)則選取。當(dāng)然，算法將隨每種設(shè)計(jì)的

7、不同而不同，一般設(shè)為高于某個(gè)臨界值。通常情況下，重力的變化范圍為：自由落體檢測(cè)為 1.5g而汽車撞擊為 250g。5）振動(dòng)偵測(cè)振動(dòng)偵測(cè)可用于地震活動(dòng)監(jiān)視器，智能電機(jī)維護(hù)，家電平衡和監(jiān)測(cè)。振動(dòng)偵測(cè)需要考慮的因素包括：分析振動(dòng)頻率的多少，確定g值的范圍及最適當(dāng)?shù)募铀賯鞲衅靼惭b位置。借助于快速傅立葉變換對(duì)加速度資料的分析可得到振動(dòng)頻率的情況，快速傅立葉變換允許振動(dòng)信號(hào)被分解成它的諧波分量，而每個(gè)電機(jī)振動(dòng)都有它自己的諧波分量信號(hào)。通常，根據(jù)振動(dòng)的電機(jī)或?qū)ο蟮牟煌?，重力的變化范圍? 20g。當(dāng)加速傳感器安裝的離振源越近時(shí)，G的范圍就會(huì)越大。6）自由落下偵測(cè)自由落下偵測(cè)可用于自由落體保護(hù)，下降記錄，下降

8、檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)控制和認(rèn)知等。自由落下偵測(cè)可分為三種，分別為：線性落下、旋轉(zhuǎn)型落下和拋射落下。它需靠量的因素包括：g的范圍一般落在 1g間；由于拋射型落下，因此需考量橫軸加速度的多寡及自由落下時(shí)要求檢測(cè)的高度。在完整的自由落體中，線性自由落體需要一個(gè)3軸加速計(jì)來完成檢測(cè)。而旋轉(zhuǎn)和拋射自由落體需要一個(gè)復(fù)雜的算法來監(jiān)控自由落體信號(hào)。MMA7260Q及其特性新型MMA7260Q是XYZ低g加速傳感器，其特性包括：?jiǎn)畏庋b3軸感應(yīng)低壓操作：2.23.6V電流消耗低（典型值：500 A ）休眠模式下電流消耗低(3 A)模擬輸出350Hz 帶寬g選擇：1.5g, 2g, 4g, 和 6g 快速的上電響應(yīng)時(shí)間（1m

9、s）QFN-16 封裝(6mm x 6 mmx 1.45mm)無鉛材料和綠色材料20+85的工作溫度MMA7260Q具有低功耗特性，它包含一個(gè)休眠模式管腳。在休眠模式下， MMA7260Q的最大電流僅為3 A；在普通模式下， MMA7260Q的最大電流為500 A 。由于電池消耗低，壽命延長(zhǎng)，故而使其成為小型電池供電便攜式設(shè)備的理想之選。此外，MMA7260Q 具有快速啟動(dòng)性能。它的休眠模式的喚醒時(shí)間很快，僅為0.5ms。通過將有源低電平休眠模式管腳設(shè)為高電平(Vdd) ，即可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，將X，Y，和Z的輸出從Vss狀態(tài)下恢復(fù)過來。其常規(guī)加電時(shí)間也很快，僅為1ms。MMA7260Q應(yīng)用電路圖6為

10、MMA7260Q的實(shí)際應(yīng)用電路，如圖示只需將電阻增加1k ，電容增加0.1 F， 即可將開關(guān)電容濾波電路的時(shí)鐘噪聲降至最低。MMA7260Q的g選擇MMA7260Q的g選擇可參照表1，通常g的范圍由MCU的I/O驅(qū)動(dòng)控制，在應(yīng)用時(shí)如何確保獲得最佳的靈敏度狀態(tài)，則可以設(shè)定如果當(dāng)MCU在讀取感測(cè)器的時(shí)候，出現(xiàn)滿格的狀況并持續(xù)一段時(shí)間，則MCU必須設(shè)定更大的g值范圍來確定是否輸出還會(huì)飽和。在不同的應(yīng)用時(shí)，也可以透過設(shè)定不同的g值范圍來獲得最佳的靈敏度狀態(tài)。表1：MMA726Q的g選擇(略)基于以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于g值的選擇，有以下四個(gè)實(shí)際建議：1.5g 適合自由落體或精確的傾斜補(bǔ)償應(yīng)用；2g適合手持式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或游戲控制器；4g適合于低振動(dòng)監(jiān)控、運(yùn)輸和處理而6g適合高振動(dòng)監(jiān)控與較高的震動(dòng)讀取。加速傳感器應(yīng)用加速傳感器可用作汽車翻車事故、拖車制動(dòng)器控制、智能電機(jī)、 PDA滾動(dòng)、LCD投影儀防震、鏡頭保護(hù)、HDD保護(hù)與圖像穩(wěn)定性等各個(gè)方面。在馬達(dá)控制器應(yīng)用中，通過加速傳感器可以將震動(dòng)量變化為數(shù)據(jù)，借此數(shù)據(jù)可判斷出震動(dòng)量的大小，可用作預(yù)防性維修、檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)、檢測(cè)電機(jī)故障并節(jié)省成本。 在HDD保