ADXL32x系列加速度傳感器及其在磁電子羅盤傾角補償中的應(yīng)用

1、ADXL32x系列加速度傳感器及其在磁電子羅盤傾角補償中的應(yīng)用李希勝, 郭曉霞,劉洪毅,王立錦,王紹純北京科技大學(xué) 北京 100083摘要:美國ADI推出的ADXL32x系列加速度傳感器具有靈敏度高、耐沖擊、體積小、性能穩(wěn)定可靠等一系列優(yōu)點。本文簡單介紹了該系列加速度傳感器的工作原理、主要性能指標(biāo)、應(yīng)用注意事項及其在電子平衡式三軸磁電子羅盤中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:加速度傳感器,電子羅盤,信號調(diào)理1. ADXL32x系列加速度傳感器ADXL32x系列加速度傳感器是美國ADI(Analog Devices, Inc.于2004年推出的低成本、低功耗雙軸加速度傳感器1,2,3。該系列加速度傳感器將差動電容

2、式加速度傳感器及相關(guān)信號調(diào)理電路集成在單片集成電路上,功能框圖如圖1所示。既可應(yīng)用于動態(tài)加速度(如振動測量,也可應(yīng)用于靜態(tài)加速度(如重力加速度測量。 圖1 ADXL32x系列加速度傳感器功能框圖Figure 1 Function block diagram of ADXL32x series accelerometerADXL32x系列加速度傳感器包括ADXL320、ADXL321、ADXL322三個型號的芯片。這三個型號的芯片的主要差別在于加速度測量范圍。三者的加速度測量范圍分別為5g、18g、2g,用戶可根據(jù)具體應(yīng)用選擇。ADXL32x系列加速度傳感器具有統(tǒng)一的尺寸及引腳定義,可互換使用。

3、ADXL32x系列加速度傳感器芯片的主要特點有:體積小(4 mm4 mm1.45 mm,采用16引腳LFCSP塑料封裝;單電源工作;電源電壓范圍寬,2.45.25 V(ADXL320, 2.46 V(ADXL321,2.46 V(ADXL322;功耗低,在電源電壓為2.4 V時,三者的典型電流損耗值分別為350微安、340微安、340微安;僅使用一個電容就可以實現(xiàn)信號帶寬調(diào)整;機械強度高,能夠承受高達10000g的沖擊載荷。ADXL32x系列主要技術(shù)指標(biāo)見表1。詳細技術(shù)指標(biāo)參數(shù)可參照ADXL320、ADXL321、ADXL322說明書1,2,3。表1 ADXL32x 系列主要技術(shù)指標(biāo)(典型值

4、2. ADXL32x 系列加速度傳感器使用注意事項2.1 電源退耦對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說,0.1F 的退耦電容(C DC 就可以抑制電源上的噪聲。但是,在某些場合下,特別是噪聲出現(xiàn)在內(nèi)部時鐘頻率140 kHz 及其高次諧波頻率處。此時,出現(xiàn)在電源線上的噪聲將對加速度傳感器的輸出產(chǎn)生干擾。在這種情況下可采用R-C (電阻取值小于100或L-C 退耦濾波器1,2,3,4,5,6。另外還可以在退耦電容(C DC 上并聯(lián)一1F 到4.7F 的旁路電容。2.2 輸出信號帶寬的設(shè)定ADXL32x 系列加速度傳感器提供輸出信號限帶功能。為了達到抗混迭和減小噪聲的目的,只需在輸出引腳與地之間連接合適的電容來實

5、現(xiàn)低通濾波。3 dB 帶寬的公式為(Y X,dB 3k 3221C f = (1濾波電容的選取可參照表2進行。片內(nèi)電阻(=32 k 的允差為標(biāo)稱值的15%,低通濾波器的帶寬也隨之變動。另外需要注意,輸出引腳上至少要連接2000 pF 的電容。FILT R表2 濾波電容的選取帶寬(Hz電容(F 1 4.7 10 0.47 50 0.10 100 0.05 200 0.027 5000.012.3 自檢功能將ST引腳從低電平(地電位或開路狀態(tài)改變到高電平時(V S ,輸出發(fā)生相應(yīng)變化(ADXL320: 315 m g ,ADXL321: 315 m g ,ADXL322: 300 m g ,可實現(xiàn)

6、傳感器功能自檢。通常情況下,ST引腳接地或開路。另外需要注意,ST引腳電壓不允許超過V S +0.3 V。如果有必要,可在ST引腳和 V S 引腳之間加鉗位二極管1,2,3。2.4 噪聲特性和信號帶寬的折衷考慮ADXL32x 系列加速度傳感器的分辨率(可檢測的最小加速度由加速度傳感器的帶寬確定。濾波可以降低背景噪聲,從而改善傳感器的分辨率。ADXL32x 系列加速度傳感器的分辨率取決于輸出信號模擬濾波器的帶寬。ADXL32x 系列加速度傳感器輸出帶寬典型值為2.5 kHz 。為了限制混迭誤差,用戶必須濾除這一個頻率點的信號。同時,模擬信號帶寬必須小于A/D 采樣頻率的一半。為了減小噪聲,提高分

7、辨率,可進一步降低模擬濾波器的帶寬1,2,3,6。ADXL32x 系列加速度傳感器輸出信號中的噪聲成分為高斯白噪聲。用戶應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用限制輸出信號帶寬以提高加速度傳感器的分辨率和動態(tài)范圍。以ADXL320為例,噪聲的均方根值為(6.1250=BW g V rms n 式中,為低通濾波器帶寬。對于100 Hz 帶寬的情況,有BW (mg g V rms n 2.36.1100250=通常情況下,需要知道噪聲的峰值。噪聲的峰-峰值可采用統(tǒng)計的方法估計。表3給出了在給定噪聲均方根值情況下超出各類峰值的概率估計。表3 噪聲的峰-峰值估計噪聲的峰-峰值 噪聲超過標(biāo)稱峰-峰值的概率(%2 (rms n V

8、 32 4 (rms n V 4.6 6 (rms n V 0.27 8(rms n V 0.0063. 傾角測量原理ADXL32x 系列加速度傳感器用于傾角測量是最典型的應(yīng)用之一,以重力作為輸入矢量來決定物體在空間的方向。當(dāng)重力與其靈敏軸垂直時,它對傾斜最敏感。在該方位上其對傾角的靈敏度最高,每傾斜1所引起輸出加速度的變化約為17.45 m g 。當(dāng)敏感軸與重力平行時引起輸出加速度的變化被忽略。如果在初始狀態(tài)下,調(diào)整加速度傳感器的X 軸、Y 軸,使它們都與重力方向垂直,則加速度傳感器可用作俯仰角和橫滾角測量雙軸傾角傳感器。俯仰角和橫滾角可按下式計算(g A g A Y X arcsin ar

9、csin = (2式中,、為俯仰角和橫滾角,、分別為加速度傳感器X 軸、Y 軸輸出。X A Y A 4. ADXL32x 系列加速度傳感器在電子羅盤傾角補償中的應(yīng)用地球本身具有磁性,所以地球和近地空間之間存在著磁場,叫做地磁場。地磁場的強度為0.5至0.6高斯,其大小和方向隨地點(甚至隨時間而異。地磁場的北極、南極分別在地理南極、北極附近,彼此并不重合,而且兩者間的偏差隨時間不斷地在緩慢變化。地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸并不重合,約有11o 夾角7-11。 地球磁場可應(yīng)用于定向及導(dǎo)航7-11。早期,人類采用機械式磁羅盤進行定向和導(dǎo)航。機械式磁羅盤主要由若干平行排列的磁針、刻度盤和磁誤差校正裝置組成,磁針

10、固裝在刻度盤背面,在地磁影響下,磁針帶刻度盤轉(zhuǎn)動,用以指出方向。隨著適宜于地磁場測量的磁通門傳感器及AMR 傳感器的出現(xiàn),磁電子羅盤逐漸問世。這種電子式的磁羅盤相對于機械式磁羅盤具有一些突出的優(yōu)點,如抗沖擊性、抗震性,能夠?qū)﹄s散磁場進行補償,輸出電信號,可方便地與其它電子設(shè)備組成應(yīng)用系統(tǒng)。在磁電子羅盤中,通過磁場測量傳感器測得地磁場的水平分量和,通過計算求得地磁方位角7-11x H y H =xym atan HH (3為了保證正切函數(shù)的有效性,取(=0,0180atan 0,0180atan 3600180atan 1800,02700,090y x x y y x x y x x y y

11、x y x m H H H H H H H H H H H H H H H (4這種二軸電子羅盤在水平狀態(tài)下性能優(yōu)異,特別適合于手持應(yīng)用場合。然而,當(dāng)在非水平狀態(tài)下使用此類羅盤時將會引起較大的地磁方位角測量誤差。另外,羅盤更經(jīng)常安裝在飛機、船、車輛等運動設(shè)備上,因而無法保證羅盤始終處于水平狀態(tài)。解決這一問題的方法有兩種:機械平衡方式,即通過機械方法使磁傳感器始終保持水平,從而測得地磁場水平分量;電子平衡方式,即通過測量地磁場三維分量及俯仰角、橫滾角,然后計算得到地磁場水平分量。與機械平衡方式相比,電子平衡方式增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。但是,電子平衡方式在可靠性及補償周圍磁場干擾的能力方面具有明顯優(yōu)勢

12、,因而受到歡迎。特別是近年來MEMS 傳感器的發(fā)展促進了電子平衡方式的應(yīng)用。采用電子平衡方式的三軸磁電子羅盤結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 圖2 采用電子平衡方式的三軸磁電子羅盤結(jié)構(gòu)框圖Figure 2 Functional block diagram of a electronically gimbaled three-axis magnetic electronic compass采用電子平衡方式的三軸磁電子羅盤以三軸磁電阻傳感器為地磁方位角傳感器,測出地磁場分別在載體x軸、y軸、z軸上的分量x H 、y H 、z H 。以雙軸加速度傳感器為俯仰角(和橫滾角(測量傳感器。磁場強度水平投影可根據(jù)下面的

13、公式求得+=+=sin cos cos sin -sin sin cos z y y z y x x H H H H H H H 式中,x H 、y H 、z H 為磁傳感器在0,0狀態(tài)下測得的3個地磁場分量;、為磁場強度水平投影。地磁方位角x H yH 為=x yarctan HH 5 結(jié)束語美國ADI 推出的ADXL32x 系列加速度傳感器將差動電容式加速度傳感器及相關(guān)信號調(diào)理電路集成在單片集成電路上,具有靈敏度高、耐沖擊、體積小、性能穩(wěn)定可靠等一系列優(yōu)點。該系列加速度傳感器既可應(yīng)用于動態(tài)加速度(如振動測量,也可應(yīng)用于靜態(tài)加速度(如重力加速度測量。本文簡單介紹了該系列加速度傳感器的工作原理

14、、主要性能指標(biāo)、應(yīng)用注意事項及其在電子平衡式三軸磁電子羅盤中的應(yīng)用。參考文獻:1. ADI(Analog Devices, Inc., ADXL320 datasheet(Small and Thin 5 g Accelerometer: ADXL320, 2004.2. ADI(Analog Devices, Inc., ADXL321 datasheet(Small and Thin 18 g Accelerometer: ADXL321, 2004.3. ADI(Analog Devices, Inc., ADXL322 datasheet(Small and Thin 2 g Acce

15、lerometer: ADXL322, 2004.4.王紹純 主編, 自動檢測技術(shù), 冶金工業(yè)出版社, 1995. 5. 6. 李希勝, 王紹純, 連鑄熱坯雙頻渦流探傷技術(shù), 北京科技大學(xué)學(xué)報,1995, 17(4: 361. Xisheng Li, Shaochun Wang, Improvement of Boxcar Integrator and Its Application to Low Resistance Measurement of Inductive Load Coil, Journal of University of Science and Technology Beij

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