加速傳感器工作原理及架構(gòu)

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警IC。其中，慣性傳感器即為加速傳感器，可以用于偵測傾斜、振動及撞擊，因此可以用在汽車乘客安全、振動監(jiān)控、運動診斷、 防盜裝置、電器平衡、地震檢測、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 X、Y、Z軸方向的加速度，以類比電壓來表示所偵測的加速度的大小，在IC內(nèi)部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力感測單元（負責(zé)加速度的偵測）與控制 IC單元（負責(zé)信號處理）。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軸的重力檢測單元將檢測到的加速度變化量信號送到電荷積分器做積分運算，而后進行取樣、保持及信

2、號放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補償處理后即可輸岀加速度信息。此輸岀之類比電壓與偵測的加速度值會維持線性比例的特性，不會受到溫度的影響。f卻It山盤和世持4飛3tCWmOLlD&Ci CkQQtiEb1itj 5飛盧斥肓l-jor -帀也：COMPW0WIbJ期訓(xùn)逑傳匪廉閩牝的血盤厲塊融w為了說明X軸向g感測單元的感測原理，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感測單元即利用電容的原理設(shè)計出來的，在圖2中左上角的小區(qū)塊可以看到，藍色的 部分代表可移動的電極板，而在藍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，此時藍色

3、電極板與左右偏置板形成兩個電容，當(dāng)藍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而促使 電容電壓值的改變，因此可借此特性計算岀加速度的大小。密5 ii則rrKtoiY圖2 X軸問g單元結(jié)構(gòu)示意Z軸向垂直g感測單元的感測原理與 X軸向g感測單元的感測原理相同，只是架構(gòu)有所差異。如圖3所示，紅色的震動塊代表可移動的電極板，而綠色的頂板與藍色的底板則是固定的極板。當(dāng)紅色的極板因為加速度的影響而改變與上下極板的間隔，則將產(chǎn)生電容值的改變。因此，可借此特性計算岀此加速度的大小。圖3中黑色的部分為彈簧裝置，用來緩沖可移動電極板的移動S3/輜向爭穴叮單元圖4為4X軸向g單元的SEM照片

4、，顯示了 g感測單元的架構(gòu)，可移動極板在兩個固定極板間左右移動，由可移 動極板與固定極板組成的指狀結(jié)構(gòu)是顯而易見的IJ *1 M Ai： fh圖列X軸向g單元SFM照片圖5顯示了 Z軸向g感測單元的架構(gòu)，左圖中，紅色的區(qū)塊為固定極板，而綠色區(qū)塊則代表可移動中板，可移動中板是在兩個固定極板間上下移動。這與X軸向g單元的指狀結(jié)構(gòu)是截然不同的暢a獻/圖3 2軸向G單元昭片加速傳感器的6種感應(yīng)功能1）傾斜度偵測傾斜度偵測電子羅盤，傾斜儀，文本滾動瀏覽/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，可用來檢測傾斜角，傾斜角在90+90之間變化時，加速傳感器輸出會在1.0g+1.0g之間

5、變化。輸出電壓對應(yīng)傾斜角的公式如下示：AUKxOGx實中：加速傳出器的輸出加速度別d宛啟度10G-地球境力X愉料角其中：VOUT=加速傳感器的輸岀Voff =零加速度V/ G=靈敏度1.0G=地球重力=傾斜角在測量傾斜角度時，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需要確保反映軸與地面垂直。特服瞪第加觸門鬼容増加0 即可稲 齊關(guān)電喜冷波電緒的時抄IW聲澤至低:V1M_a Mheiig 聞ect?VduV*jiVkjXolt吐啊.Mt七加漳豐OLl|f 豐toclcnput01pF圏5 MMA7260C應(yīng)用掃路示臨圖7給出了 MMA1260D 1.5g 加速傳感器的典型角度響

6、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。00 ?12600加速傳感器的典型角険肩應(yīng)2 ）運動檢測運動檢測可用于運動控制，計步器，基本運動檢測。在進行運動檢測時，需要考慮到幾個因素，包括：如何計算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測軸。首先確定位移：計算位移要將加速度進行二重積分，速度部分則是需進行一次積分。根據(jù)對象的不同，g值的范圍在220g之間變化。圖8給岀了跳躍運動產(chǎn)生的電壓輸岀變化示意，由圖中可知，當(dāng)跳躍至最高點時處于無重力的狀態(tài)，當(dāng)落至地面時 加速度出現(xiàn)近似脈沖的波形，由曲線的變化即可

7、判斷具體的運動情況。*T lflbmi亠TlXJrfW | i.d 加（Hl : WI 撞擊；A I i3 V 厶 20Q mirrnr t m v陽B St砥運產(chǎn)主曬影圧藕出霑北3）定位偵測定位偵測可用于汽車導(dǎo)航，防盜設(shè)備，地圖跟蹤。定位偵測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。對加速度數(shù)據(jù)進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，所以需要進行近似積分。如下所示：AY, u心）-雙片）=h在進行定位計算時，必須假設(shè)初始位置和速度為零，這樣對運動隨時間變化的等式進行積分，就是將每個時間間隔 內(nèi)位置和速度的增量分別與前一個值相加即可代表積分的運算。4）

8、震動偵測震動偵測可用于下降記錄，黑盒子 /故障記錄儀，HDD保護，運輸和處理監(jiān)視器震動偵測只需考慮的因素是選擇 g值的范圍。一般按照被測量對象的減速度決定了震動檢測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)計的不同而不同，一般設(shè)為高于某個臨界值。通常情況下，重力的變化范圍為：自 由落體檢測為 1.5g 而汽車撞擊為 250g 。5）振動偵測振動偵測可用于地震活動監(jiān)視器，智能電機維護，家電平衡和監(jiān)測。 振動偵測需要考慮的因素包括：分析振動頻率的多少，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 速傅立葉變換對加速度資料的分析可得到振動頻率的情況，快速傅立葉變換允許振動信號被分解

9、成它的諧波分量， 而每個電機振動都有它自己的諧波分量信號。通常，根據(jù)振動的電機或?qū)ο蟮牟煌?，重力的變化范圍?2 20g 加速傳感器安裝的離振源越近時， G 的范圍就會越大。6）自由落下偵測自由落下偵測可用于自由落體保護，下降記錄，下降檢測，運動控制和認知等。1g自由落下偵測可分為三種， 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 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要求檢測的高度。在完整的自由落體中，線性自由落體需要一個 3 軸加速計來完成檢測。而旋轉(zhuǎn)和拋射自由落體需要一個復(fù)雜的算法 來監(jiān)控自由落體信號。MMA7260Q 及其特性

10、新型 MMA7260Q 是 XYZ 低 g 加速傳感器，其特性包括：單封裝 3 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)時間（ 1ms ）QFN-16 封裝 （6mm x 6 mmx 1.45mm）無鉛材料和綠色材料20+85 C的工作溫度MMA7260Q 具有低功耗特性，它包含一個休眠模式管腳。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，故而使

11、其成為小型電池供電便攜式設(shè)備的理想之選。此外， MMA7260Q 具有快速啟動性能。它的休眠模式的喚醒時間很快，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)加電時間也很快， 僅為 1ms 。MMA7260Q 應(yīng)用電路圖6為MMA7260Q的實際應(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)動控制， 在應(yīng)用時如何確保獲得最佳的靈敏度狀

12、 態(tài)，則可以設(shè)定如果當(dāng) MCU 在讀取感測器的時候，出現(xiàn)滿格的狀況并持續(xù)一段時間，則 MCU 必須設(shè)定更大的 g 值范圍來確定是否輸出還會飽和。在不同的應(yīng)用時，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）表L MMAr26GQ的g選揮0選樣20選擇19植簾01-5g012g10116g濾疋滬宦肅陀尢如中基于以往的經(jīng)驗，對于 g值的選擇，有以下四個實際建議：1.5g適合自由落體或精確的傾斜補償應(yīng)用；2g適合手持式運動檢測或游戲控制器;4g適合于低振動監(jiān)控、運輸和處理而6g適合高振動監(jiān)控與較高的震動讀取加速傳感器應(yīng)用PDA滾動、LCD投影儀防震、鏡頭保護、HDD加速傳感器可用作汽車翻車事故、拖車制動器控制、智能電機、 保護與圖像穩(wěn)定性等各個方面。在馬達控制器應(yīng)用中，通過加速傳感器可以將震動量變化為數(shù)據(jù)，借此數(shù)據(jù)可判斷岀震動量的大小，可用作預(yù)防性 維修、檢