加速度传感器原理

加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山?还是在走下坡,摔倒了没有?或者对于飞行类的机器人来说,对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是,你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。

通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候,你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是,现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。

有些笔记本电脑里就内置了加速度传感器,能够动态的监测出笔记本在使用中的振动,并根据这些振动数据,系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。

加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

加速度传感器工作原理

线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F?用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域,需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且,由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产,它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来,它将在加速度传感器市场中占主导地位。
微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。

压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力,压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点,是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单,商业化使用历史也很长,但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关,因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

加速度传感器原理

压电式加速传感器的结构如图所示。在两块表面镀银的压电晶片(石英晶体或压电 陶瓷)间夹1片金属薄片,并引出输出信号的引线。在压电晶片上放置1块质量块,并用硬弹 簧对压电元件施加预压缩载荷。静态预载荷的大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能 承受的最大动应力。这样,当传感器向上运动时,质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力 增加;反之,当传感器向下运动时,压电元件的压应力减小,从而输出与加速度成正比例的电 信号。

传感器整个组件装在一个原基座上,并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变 传递到压电元件上去,基座尺寸较大。测试时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时,传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比,经 电荷放大器或电压放大器即可测出加速度。

      应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥,其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高,测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性,但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大,实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面,大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力,但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。

电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点,尤其是受温度的影响比较小;但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性,量程有限,受电缆的电容影响,以及电容传感器本身是高阻抗信号源,因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量,其通用性不如压电式加速度传感器,且成本也比压电式加速度传感器高得多。

加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

目前,大部分设备都提供了可以检测各个方向的加速度传感器。以iOS设备为例,我们利用了其三轴加速度传感器(x,y,z轴代表方向如图)的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变化。

加速度传感器原理

三轴加速度传感器示意图

用户在水平步行运动中,垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化,如图所示。在步行收脚的动作中,由于重心向上单只脚触地,垂直方向加速度是呈正向增加的趋势,之后继续向前,重心下移两脚触底,加速度相反。水平加速度在收脚时减小,在迈步时增加。

加速度传感器原理

反映到图表中,可以看到,在步行运动中,垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线,而且在某点有一个峰值。其中,垂直方向的加速度变化最大,通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阀值决策,即可实时计算用户运动的步数,还可依此进一步估算用户步行距离。

加速度传感器原理

计步的合理算法

因为用户在运动中可能用手平持设备,或者将设备置于口袋中。所以,设备的放置方向不定。为此,通过计算三个加速度的矢量长度,我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

第二步是峰值检测,我们记录了上次矢量长度和运动方向,通过矢量长度的变化,可以判断目前加速度的方向,并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的,即是刚过峰值状态,则进入计步逻辑进行计步,否则舍弃。通过对峰值的次数累加,可得到用户步行的步伐。

最后,就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态,或是我们俗称的手抖,或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路,这些干扰数据如果不剔除,会影响记步的准确值,对于这种干扰,我们可以通过给检测加上阀值和步频判断来过滤。