加速传感器工作原理及架构.docx
*h*f1.圈加速传感君的化的功解区块和图加速传感器工作原理与架构飞思卡尔传感器产品主要分为三大部分：惯性传感器、压力传感器与平安和报瞥ICo其中，惯性传感器即为加速传感器，可以用于侦测倾斜、振动与搔击，因此可以用在汽车乘客平安、振动监控、运动诊断、防盗装置、电器平衡、地震检测、倾角/倾斜仪与便携式电f设备中。加速传感器可用来侦测x、丫、Z轴方向的加速度，以类比电压来表示所侦测的加速度的大小，在IC内部主要由双芯片构成，即重力感测单元（负责加速度的侦测）与限制IC单元（负责信号处理）。双芯片可以分开安置也可以强放处理。由图1可知，X轴或Z轴的重力检测单元将检测到的加速度变更量信号送到电荷积分器做积分运算，而后进行取样、保持与信号放大处理,最终用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。此输出之类比电压与侦测的加速度值会维持线性比例的特性，不会受到温度的影响。筮fjSjDQttIfrVH¼为r说明X轴向g感测单元的感测原理，先来W顾电容的物理特性：电容值的大小与电极板的面积大小成正比，和电极板的间隔距离成反比。g感测单元即利用电容的原理设计出来的，在图2中左上角的小区块可以看到，蓝色的部分代表可移动的电极板，而在蓝色电极板的上方左偏置与下方右偏置板块则是固定的电极板，此时蓝色电极板与左右偏置板形成两个电容，当蓝色电极板因加速度的影响而变更与左右偏置板的间隔，则使得电容值变更进而促使电容电压值的变更，因此可借此特性计算出加速度的大小。图2X轴向g单元结构示意>1.KftiKWVW>wZ轴向垂直g感测单元的感测原理与X轴向g感测单元的感测原理相同，只是架构有所差异。如图3所示，红色的振动块代表可移动的电极板，而绿色的顶板与蓝色的底板则是固定的极板。当红色的极板因为加速度的影响而变更与上F极板的间隔，则将产生电容值的变更。因此,可借此特性计克出此加速度的大小。图3中黑色的部分为弹簧装置，用来线冲可移动电极板的移动。OMft*»图3Z粕向牵fig单元图4为4X轴向g单元的SEM照片，显示了g感测单元的架构，可移动极板在两个固定极板间左右移动，由可移动极板与固定极板组成的指状结构是自不待言的。1.*>mM婷图4X轴向g6元SEM赚片图5显示了Z轴向g感测单元的架构，左图中，红色的区块为固定极板，而绿色区块则代表可移动中板，可移动中板是在两个固定极板间EZ移动C这与X轴向g单元的指状结构是迥然不同的。住动中板图5Z轴向G单元照片Bi加速传感器的6种感应功能D假斜度侦测假斜度侦测电子罗盘，倾斜仪，文本滚动阅读/用户界面，图像旋转，1.CD投影，物理治疗法。加速传感器在静止时，可用来检测倾斜角，倾斜角在90+90之间变更时，加速传感器输出会在1.Og+1.Og之间变更。输出电压对应帧斜角的公式如卜.示：匕X1.K*+(%x°GXSiw)其中：VeVf=加速传憾器的除出心一年加速度V/AG=及欢度1.0G-地球强力8=帧斜角其中:VoUT=加速传感器的输出Voff=零加速度V/G=灵敏度1.OG=地球重力=倾斜角在测量倾斜加度时，需考虑倾斜角解析度与AD转换器搭配的问题，在安装加速传感器时须要确保反映轴与地面垂直。图7给出了MMAI260D1.5g加速传感器的典型角度响应，纵轴代表加速传感器的输出电压，横轴代表帧斜角度，从线型可知，在。度范用，倾斜角与电压呈线性变更。而在90度范件倾斜角与电压则呈现饱和状况。*-*图7MMA1261加速传感iS的典型角度胸应2）运动检测运动检测可用于运动限制，计步器，基本运动检测.，在进行运动检测时，须要考虑到几个因索，包括：如何计算它的位移,g值的他围选择与运用量测抽。首先确定位移：计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则是需进行一次积分。依据对象的不同，g值的范围在220g之间变更。图8给出了跳动运动产生的电压输出变更示意，由图中可知，当跳动至最高点时处于无重力的状态，当落至地面时加速度出现近似脉冲的波形，由曲线的变更即可推断详细的运动状况。S8近功产生的电J*出变化3)定位侦测定位侦测可用于汽车导航，防盗设备，地图跟踪。定位侦测须要考虑的因素包括:加速度的范围是多少与加速传感器如何安装。对加速度数据进行二重积分即可得到位置数据。此外，由于加速度数据是不连续的，所以须要进行近似积分。如卜所示：(4)-Q)=/(M4x(r2)-x(r1)=v(2-r1)在进行定位计徵时，必需假设初始位置和速度为零，这样对运动随时间变更的等式进行积分，就是将每个时间间隔内位置和速度的增最分别与前一个值相加即可代表积分的运算。4）振动侦测振动侦测可用于下降记录，黑盒子/故障记录仪，HDD爱护，运输和处理监视器。振动侦测只需考虑的因素是选择g值的范国。一般依据被测时对象的感速度确定了振动检测所需的加速传感器的规则选取。当然，算法将随每种设计的不同而不同，一般设为高于某个临界值。通常状况3重力的变更范围为：自由落体检测为1.5g而汽车撞击为250go5）振动侦测振动侦测可用于地震活动监视器，智能电机维护，家电平衡和监测,振动侦测须要考虑的因素包括：分析振动频率的多少，确定g值的范围与最适当的加速传感器安装位置。借助于快速傅立叶变换对加速度资料的分析可得到振动频率的状况,快速傅立叶变换允许振动信号被分解成它的谐波重量，而每个电机振勖都有它自己的谐波垂曼信号。通常，依据振动的电机或对象的不同，重力的变更范围为220g。当加速传感器安装的离振源越近时，G的范阳就会越大。6）自由落下侦测自由落卜.侦测可用于自由落体爱护，卜.降记录，卜.降检测，运动限制和认知等。自由落下侦测可分为二种，分别为：线性落下、旋转型落下和抛射落下。它需靠鼠的因素包括：g的范围一般落在Ig间；由于抛射型落下，因此需考依横轴加速度的多寡与自由落卜.时要求检测的高度。在完整的自由落体中，线性自由落体须要一个3轴加速计来完成检测。而旋转和抛射自由落体须要一个困难的算法来监控自由落体信号。MMA7260Q与其特性新型MMA7260Q是XYZ低g加速传感器，其特性包括：单封装3轴感应低压操作：2.23.6V电流消耗低(典型值：500A)休眠模式下电流消耗低(3A)模拟输出350Hz带宽g选择：1.5g,2g,4g,和6g快速的上电响应时间(Ims)QFN-16封装(6mmX6mmx1.45mm)无铅材料和绿色材料20+85C的工作温度MMA7260Q具有低功耗特性，它包含一个休眠模式管脚。在休眠模式下，MMA726OQ的最大电流仅为3A;在一般模式下，MMA7260Q的最大电流为500A。由于电池消耗低，寿命延长，故而使其成为小型电池供电便携式设备的志向之选。此外，MMA7260Q具有快速启动性能。它的休眠模式的唤醒时间很快，仅为05ms0通过将有源低电平休眠模式管脚设为高电平(Vdd),即可实现触发，将X,Y,和Z的输出从VSS状态下复原过来。其常规加电时间也很快，仅为1ms。MMA726OQ应用电路图6为MMA7260Q的实际应用电路，如图示只需将电阻增加Ik,电容增加0.1F,即可将开关电容潴波电路的时钟噪声降至最低.MMA726OQ的g选择MMA7260Q的g选择可参照表1,通常g的范围由MCU的I/O驱动限制，在应用时如何确保获得最佳的灵敏度状态，则可以设定假如当MCU在读取感测器的时候，出现满格的状况并持续一段时间，则MCU必需设定更大的g值他用来确定是否输出还会饱和。在不同的应用时，也可以透过设定不同的g值范围来获得最佳的灵敏度状态。表1:MMA726Q的g选择（略）表1.MMA726OQ的g选择g选择2g选界1g苑国001012g10.11«9涉汉茂乃'泮版例2K设t小力港加基于以往的阅历，对于g值的选择，有以卜.四个实际建议：1.5g适合自由落体或精确的倾斜补偿应用；2g适合手持式运动检测或嬉戏限制器；4g适合于低振动监控、运输和处理而6g适合高振动监控与较高的振动读取。加速传感器应用加速传感器可用作汽车翻车事故、拖车制动器限制、智能电机、PDA滚动、1.CD投影仪防震、镜头爱护、HDD爱护与图像稳定性等各个方面O在马达限制器应用中，通过加速传感器可以将振动量变更为数据，借此数据可推断出振动量的大小，可用作预防性修理、检测振动信号、检测电机故障并节约成本。在HDD爱护应用中，自山落下侦测是最近出现在消费性电子产品的一个新的应用，利用此项功能可以爱护HDD的资料平安。在HDD自由落下撞击地面之前，从加速传感器所得的资料分析出相应的危机状态，系统可马上令HDD读写头做出反应，以防止撞击时读写头将HDD资料刮坏C同样适用于音乐播放器、电话、PDA和其他便携式电子设备，包含下降记求侦测与3釉向检测功能。
