加速度计

加速度计（精选十篇）

加速度计 篇1

ADXL375成就新一代Blast GaugeTM撞击检测系统

ADXL375已经被用于最新一代Blast GaugeTM, 这是一种由Black Box Biometrics公司研发的穿戴式爆炸检测系统。该器件目前已在美国军队部署, 用于测量和记录震荡事件数据, 该器件还采用ADI公司的ADXL362低功耗、3轴MEMS加速度计作为智能型、连续工作、运动激活开关的一部分, 以延长密封环境中的电池使用时间。Black Box Biometrics公司首席技术官David Borkholder表示:“ADXL375具有业界领先的采样速率性能, 能够提供高g测量能力, 从而使Blast Gauge能力得到增强, 可以精确检测作战士兵和在训人员受爆炸和冲击的影响。ADXL375与超低功耗ADXL362配合使用, 成就了先进的Blast Gauge系统, 该系统包含增强能力, 能够区分潜在的有害和无害事件。”

ADXL375 MEMS加速度计支持用户可选的冲击阈值电平

《加速度计发展历史》读后感 篇2

Patrick L.Walte于1996年写了“The history of the accelerometer 1920~1996”一文，总结了加速度计的发展历史及商用加速度计行业的发展。文章介绍了众多加速度计制造先驱型企业的发展及贡献，及1920~1996年期间加速度计设计制造技术发展年表。从专业的角度来讲，他非常得意自己的这篇文章。这篇文章对加速度计发展历史的介绍内容全面、精确、详实，是篇很值得学习和研究的一篇综述性文章。

2006年，作者回顾了1996~2006十年间加速度计的新发展（最显著的发展是silicon technology or MEMS technology，以及TEDS技术引入传感器），更正了1996年所写文章中一些小错误，补充了部分新内容，包括对7个加速度计制造先驱型企业现状的介绍，在文章末尾作者给出他对加速度计技术未来发展方向的预测。

PCB Piezotronics,Inc..在作者看来，是十年间取得最大发展的一家公司，已成为美国最大的加速度计制造企业。员工增加到600~700人，企业规模不断扩大，若干家子公司相继成立，专注于high temperature and MEMS technologies等领域研发。

PCB公司为了增加企业在美国生产运作的垂直整合能力，目前自己生产制造压电加速度计用所有原料（可工作于480oC以上高温的能力）；建立起自己的晶片切割、加工能力；建立了自己的连接器生产能力（包括玻璃封装和金属封装形式）以获得更好绝缘性能和更好、更稳定的密封性能；极大增强了传感器标定能力，致力于提升产品的品质[1]。

以上这些措施使我受到极大震撼，使我对一个企业发展之道有了新的认识和理解。

在20世纪70年代以前，美国工业界曾经历过了几次纵向一体化的浪潮，出现许多巨型企业“恐龙”，如通用汽车、福特汽车和杜邦等。这些企业为了垄断、控制的需要，几乎生产一种产品的全部零部件，成为封闭一体的生产结构。纵向一体化的作用在于克服信息不确定性的影响，防止过高的市场交易费用。这种方式的弊端是使组织的规模不断扩张，导致组织成本过高和管理效率低下。

到70年代初，这些巨型企业出现了不景气现象，严重削弱了其在市场中的竞争力。为此，一些大企业采用了外购(outsourcing)和分包(subcontracting)的方式，建立起企业组织网络。美国的硅谷、底特律汽车城，中国的珠江三角洲家电产业群、浙江小商品产业群、苏州工业园区产业群、北京中关村高新技术产业群等，都显示出其网络化企业组织的“产业群”效应。诸如“TCL”、“康佳”、“科龙”、“格力”，如此大规模地在珠江三角洲聚集，其原因在于该地区有完备的零部件生产企业、集中的原料供应网络和共享的销售网络，即存在着一个“产业群网络”。

随着营销方式的发展，许多大企业更进一步采用贴牌（OEM）生产方式，将具体的生产环节外包，自身则致力于质量的监控、销售网络的开拓和产品的创新[2]。

PCB公司所走的是一条有别于传统现代企业发展道路的特殊模式。无独有偶，2010年4月27日央视《商道》[3]节目介绍了日本吉田工业公司（YKK）在拉链行业做大做强的企业发展之路。

1953年，YKK已初具规模，在日本做到了第一。开始办机械厂，自己研发生产拉链的机器设备，几年之内完成全部设备的自产，且是当时世界上最先进的。但这些自产设备只供YKK自有工厂使用。一家独享，别人买不到它这么好设备，竞争会处于劣势。正所谓工欲善其事，必先利其器。这成为YKK竞争第一大优势。

YKK曾经因原材料供应，质量不稳定、不过关，影响到拉链产品质量。YKK不愿受制于人，决定在原材料上自力更生。别看拉链虽小，涉及纺织，化工、电镀，模具等多个行业。从50年代开始投资建设钢厂，铝合金厂，纺织厂，甚至开矿当矿主。逐渐实现原材料全部自足。这样既保证原材料稳定供应，又保证产品质量品质，更为重要的是可直接对原料品质进行改进、创新。制造出让竞争对手无法复制的产品，形成YKK第二大竞争优势。

设备自产，原材料自产，甚至铝矿也自己开采，这需要长期、大量的投资。好比一个作服装的公司，不仅要自己制造缝纫机，还要种棉花，纺织，织布，跨度太大，任何环节出问题，都会影响企业正常运转。YKK不断海外扩张，拓展市场，产量、规模上来了，设备、原材料物尽其用，创造价值，抵御了这些风险。这是规模效益，是YKK第三大竞争优势。

设备最先进，产品质量最好，规模最大，创新能力最佳，这一切成就了YKK这个“拉链帝国”。如今每年全球拉链市场销售额550亿人民币，YKK一家独占半壁江山。目前YKK拥有88家工厂，122个子公司，年销售额25亿美元，30年来稳居世界第一。还不断有新产品开发出来，如宇航服拉链，耐高寒抗腐蚀拉链，潜水服拉链等等。

美国PCB公司与日本YKK公司，所走的都是一条纵向一体化道路，且都取得了骄人的成绩。这种纵向一体化企业发展道理值得研深入研究。

全球化、分工、协作式企业发展道路，使企业更加专注于某一领域，更专业化发展。如今产品模具设计可以外包、pcb layout可以外包，软件可以外包，中国已发展起来一大批外包型企业，如东软等。于此同时，中国还有一些像比亚迪这样的企业，在逐渐建立汽车零部件自主研发、设计、生产能力，已建立起庞大的万人工程师队伍，不在受制于人，并拥有强大的自主创新、新产品研发能力。

我期待比亚迪总裁王传福的“2007年全球汽车界最“牛”的语录“比亚迪计划在2015年成为中国第一的汽车生产企业，2025年成为全球第一!”能变成现实，成就一个中国民企汽车帝国。

参考文献：

加速度计与MEMS明日之星 篇3

当然，这仍然只是MEMS进军更广泛市场的一个开端，打开这个市场的功臣即是加速度计(accelerometer)。在本文中将会对加速度计的技术及应用有更多的着墨，在此之前，我们要先来看看MEMS的领域及发展进程。

MEMS发展历程

MEMS的研发早在1970年代初期就已展开，最早期的研究包括石英晶体谐振器(QuartzResonator)和压力传感器等，接着有打印机的喷墨头(inkjet)及气相色谱仪(gaS chromategraphy)的研究；1975年后开始进行加速度计、数字光投影机、微流体(micro-fluidics)、MEMS振荡器、MEMS开关(Switch)的研究；1985年左右开始研究MEMS麦克风；薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和陀螺仪(Gy－roscope)则是1990年代以后才开始的新领域。

MEMS的应用领域很广，举凡需要用到微机械感测与控制的应用，都有可能导入MEMS的芯片，这些领域涵盖了信息、通讯、消费电子、汽车、医疗、工业等等各个领域。目前广泛应用MEMS芯片的应用领域是汽车电子及信息电子，在汽车的操控性及安全性方面，已采用不少的MEMS传感器和制动器，其中又以加速度计居多，例如低重力加速度计可用于电子停车制动(EPB)、安全带预紧器(Pre-tensioner)、防侧翻、汽车动态控制(VDC)；中，高重力加速度计可用于悬吊系统、安全气囊；此外，MEMS陀螺仪(Gyroscope)则可用于惯性导航、防侧翻和VDC。

在信息应用方面，最常见的是打印机喷墨头的运用，这仍是目前MEMS芯片最大的应用领域之一。此外，加速度计也被用于保护硬盘，当硬盘不慎掉落时，传感器会立即传出警告信息，要求马达停止转动并将磁头从盘片表面上移开，因此不会有任何部件与硬盘机内的储存媒介相互碰触，如此一来即能保护行动设备在发生意外振动或摔落时，内部所存储的数据仍能安全无虞。另一个大幅成长的芯片则是微面镜，最成功的例子是TI所研发的数字光处理(DLP)技术，目前已普遍用于投影显示器当中。

加速度计的创新应用

在现阶段，消费性市场最有兴趣的，还是如何导入加速度计。加速度计的应用是令人期待的，举凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品，都可以导入加速度计。因此，除了上述的防撞保护外，它还能提供操控手持设备的人机接口(Man Ma-chineInterface,MMI)以及许多有趣的增值功能：

创新MMI人机界面

Wii的遥控游戏功能，正是让大家印象最深刻的创新型态人机接口功能。它利用加速度计的动态感测功能来感测遥控器左，右倾斜、前／后倾斜、甚至上，下移动等动作，来转换为玩家在游戏中想操控的挥拍、击球、钓鱼、跳跃等动作，而能取代键盘以更直觉的享受到游戏的临场感，也能完成一些过去相当困难的细微操控动作。

不仅如此，3轴加速度计也能实现画面自动转向、图像浏览及目录选择等功能。以iPhone及iPod touch来说，其内建的加速度计通过测量重力向量，就能确定它是处于垂直状态还是水平状态，并将图像的显示位置自动转正，例如当用户在观赏照片、视讯或检视地图而以横向观看时，画面会自动旋转；当浏览网页或日录时，则可以再转回直向显示。

还有一些直观的用法，例如运用加速度来操控显示画面，也就是藉由倾斜手持设备来实现屏幕显示内容的上下左右浏览，并可通过对单击(单次振动)或双击(连续振动两下)的识别，来进行各种功能的选择，例如歌目选择、手机拨号及静音控制等。

有趣的增值功能

加速度器对于动作的感测，还能创造出许多有趣的应用，如骰子游戏、虚拟乐器敲击及[闪讯](Wave Message)等。骰子游戏是藉由摇动手持设备来控制骰子旋转速度及停止时间；虚拟乐器敲击是藉由对手持设备的挥动感测，来控制敲击乐器的节奏快慢及音量大小；闪讯则是在光线较暗的环境下，当手持设备快速左右移动时，加速度计会感测动作并驱动LED发光，在空中形成连续的光影信号。

其它应用

对于手持设备来说，降低功耗一直是最重要的任务之一，而通过内建的加速度计，可以侦测到设备的使用状况，并采取适当的省电控制模式，此举将有助于延长手持设备的电池寿命。此外，加速度计也能提供计步器、电子罗盘补正(3D Compass)、照相防手震等附加功能。上述种种的创新应用能力，让3轴加速度计成为手持设备中另一个不可少的芯片。

电容式加速度计技术

接着来看看加速度计的设计原理。常见的加速度计技术包括压阻式(Piezoresistive)、电容式(Capacitive)、压电式(Piezoelectric)及热对流式(Thermal)。目前市场上商业化的加速度计主要是采用压阻式、电容式与热对流式，日系厂商主要采用压阻式技术，ADI、ST等欧美厂商则采用电容式技术，对流式的代表厂商则为MEMSIC。

电容式加速度计是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等独特优点。随着MEMS和半导体制程的进步，大幅改善其原先的一些使用限制，也让电容式作法成为今日市场上极受欢迎的一种加速度计设计途径。

电容式加速度计的结构中会有可移动的质块与相对的固定端，分为作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时，两极间的电容量也会产生变化，通过特殊电路可将此变化量转换成相对应的输出信号。

电容式加速计的好处甚多，比起压阻式或热对流式容易因外界温度变化而产生零位漂移，电容式的电容值一般与电极材料无关，因此可选择温度系数低的材料；加上本身发热极小，温度对稳定性的影响甚微。此外，电容式除了可以实现微型化需求外，也能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。

另一个优点是它的动态响应时间报短，能在几MHz的频率下工作，因此特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小，可以用较高频率

供电，因此系统工作频率高，可以用于测量高速变化的参数。除了上述优点外，电容式还可测极低的加速度和位移(0.01μm以下)，灵敏度及分辨力可以做到很高。

在电容式的结构中，当其中的质块出现加速度运动时，就会产生电容量的差异变化(△c)，此变化会传送给另一颗接口芯片(Inter-facechip)，由它来输出可量测的电压值。因此，一个3轴加速度计芯片中必须包含两大单元，一是单纯的机械性MEMS传感器，它包含测量XY轴的区域及测量z轴的区域，内部有成群移动的电子；另一则是标准的ASIC接口芯片，它会将电容变化转换为电压讯号输出。

传感器与ASIC接口芯片这两大单元虽然都可采用CMOS制程来生产，但由于实现技术上的差异，两者目前大多仍会采用不同的生产流程，再将两颗芯片封装整合在一起，成为系统级封装(SiP)芯片。这两颗芯片可以用堆栈(Stacked)或并排(Side by side)方式来进行封装。采用先进LGA封装的ST加速度计芯片只有3×5×1.0mm，此尺寸已相当适合小型化手持设备的使用。

不同的应用需选用不同规格的加速度计，以手持设备的姿态识别与单击、双击动作侦铡应用来说，只需选用低频(0～20Hz)的加速度计即可；若需用于硬盘自由坠落的感铡保护，必须选用中频(～50Hz)以上的产品；对于汽车冲撞感测或洗衣机振动感测的应用来说，就需选用高频(～100Hz)的加速度计。

未来的MEMS明星

今日MEMS的当红产品，当然是加速度计，不过，还有许多的微机电芯片具有极佳的市场爆发力，包括陀螺仪、MEMS麦克风、IMOD显示器、嵌入式超小型投影机、MEMS振荡器等。陀螺仪是继加速度计后另一个备受注目的运动传感器，它能补足加速度计在转向角度上的不足，因此两者的互补能提供更精准的运动行为判断。除此之外，陀螺仪也能用于照相防震、3D遥控、空中鼠标、游戏游戏杆等应用中。

新的MEMS麦克风(也称硅晶麦克风)具有小尺寸、抗噪讯及易开发等优势，已成为取代传统驻极体电容式麦克风(Electret CondenserMicrophone，ECM)的主流选择；Qualcomm开发的IMOD(Interferometric Modulator)技术是一项基于MEMS的干涉测量调节显示技术，强调能够像光的薄膜干涉那样，获得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那样斑斓的色彩，而且能比其它显示技术提供更低的耗电量。

此外，超小型投影机小到能嵌入手机当中，进而让手机能够投射出更大的屏幕，而不会受限于今日仅数寸的显示器，让手机用户能更进一步地享受视听效果。MEMS振荡器的应用则将冲击整个电子产业，因为它已成为长久以来用来提供频率的石英晶体振荡器的可行取代方案。

结语

某型加速度计测试系统的实现 篇4

关键词：加速度计,实现方案,测试算法,系统组成,软件系统

0、引言

加速度计是某型空空导弹惯性测量单元的关键器件, 其功能是实时测量弹体三座标加速度, 其工作性能决定了惯性测量单元的导航精度。加速度计测试系统用于测试全温度下加速度计的零位、线性度、失准角等参数, 为判定加速度计性能提供判定手段。

1、测试算法

在重力场中, 通过改变被测加速度计的温度和该加速度计的输入轴与重力加速度方向的夹角, 分别建立加速度计的静态数学模型, 并通过分析模型参数与温度的关系得出加速度计标度因数的温度系数。加速度计的静态数学模型方程如公式 (1) 所示:

Aind--加速度计输出所指示加速度, 用重力加速度g为单位表示;

E%--加速度计输出, 输出单位V、mA、脉冲数/s等;

ai、ap、ao--分别为沿输入基准轴、摆基准轴和输出基准轴方向的加速度分量, g;

δp、δo--分别为输入轴相对于输入基准轴绕摆轴和输出基准轴的失准角, rad。

经简化的加速度计的静态数学模型为:

根据GJB1037-90的规定:改变夹角θ建立加速度计的静态数学模型, 可以得出加速度计的零偏、标度因数及失准角, 方程如下:

利用分度装置在0°位置转动Δθ (对应的阈值的角度, 如阈值为1×10-5g, 则角度增量Δθ=2.1″) , 记录加速度计的输出, 分度装置回0°位置转动-Δθ, 记录加速度计的输出即可判断加速度计的阈值。

利用分度装置在非0°位置转动Δθ (对应的分辨率的角度, 一般取θ=±30°) , 记录加速度计的输出, 即可判断加速度计的分辨率。

改变温度T可以得出在不同温度下的K0、K1的值, 加速度计的零偏和标度因数的温度系数方程如下所示:

2、系统组成及工作原理

根据上述测试算法要求, 加速度计测试系统应包括:精密分度装置、高低温箱、初始水平位置测量系统 (水平仪) 、数据采集和控制系统、电源系统、测试夹具及隔振地基。如图1所示。其主要功能如下:

a) 精密分度装置产生加速度计输入轴与重力加速度矢量间的夹角;

b) 程控高低温箱产生加速度计的工作温度范围, 并提供与计算机通讯的接口;

c) 初始水平位置测量系统 (水平仪) 负责标校测试夹具的水平度;

d) 数据采集和控制系统负责实现对加速度计输出信号的测试、计算加速度计的温度误差模型、将测试结果形成测试记录卡打印输出;

e) 电源系统负责提供加速度计工作所需的±15V电源;

f) 测试夹具为产品输入轴与重力加速度产生精确夹角提供保证;

g) 隔振地基负责提供良好稳定的测试环境, 避免外界振动对测试精度的影响。

测试方法和产品指标决定了

测试系统应该满足以下指标要求:

测角分辨率:0.0001° (0.36″) ;

测角误差:±3″;

分度装置工作范围:-360°~360°;

水平仪分辨率:0.2″;

数据采集系统用万用表:7位半;

电源精度:±5%;

电源带载能力:0.2A;

系统综合总误差:5×10-5g。

加速度计测试系统结构模块框图如图2所示。

工控机是整个测试系统的核心, 工控机通过位置控制方式控制电机旋转的同时读取测角元件的角度, 在电机控制器、电机及光栅测角元件内实现闭环控制, 使精密轴系达到给定的精确角度。角度信号通过光栅显示器和计算机软件实现同步显示。工控机通过RS232串口实现对温箱的控制, 并在软件界面实现同步显示。工控机通过继电器板实现产品电源对被测10只加速度计的加电控制。加速度计输出电流信号经采样板由数字万用表测量, 工控机通过GPIB接口和10通道扫描卡对10只被测加速度计实现分时测试和数据采集, 经计算, 最后由打印机打印输出。

2.1 精密分度装置

精密分度装置包括:精密轴系、传动机构、电机控制器、角位置测量装置、工控机。具有角度给定准确, 便于实现机电一体化等优点。

精密轴系采用圆柱密珠轴承轴系作为支撑, 该轴系保证精密轴系具有高刚度和高旋转精度等优点, 径向跳动可以达到2μm以内。而且由于其刚度大, 所以承载能力强, 可以保证轴系承载能力在5kg以上。

工控机是精密分度装置的核心, 与电机控制器、交流伺服电机、圆光栅编码器、精密轴系构成闭环控制系统。如图3所示:系统采用全数字闭环控制, 内环为PID全数字电流环、速度环, 外环为位置环。

位置环以圆光栅编码器的输出作为位置反馈信息, 通过计算机软件的数字PID算法实现高精度的位置控制。

2.2 测试夹具

加速度计测试夹具采用温度稳定性好、几何形状稳定的PH15-5不锈钢材料制成, 并经过锻料、退火、粗加工、精加工、淬火、精磨、高温煮油、低温冷却、高精度研磨等一系列工序的处理, 从而达到耐高低温、长期稳定性好等优定。

2.3 隔振地基

隔振地基用于放置大理石平台, 后者为精密轴系提供稳定隔振良好的基础。

2.4 电源系统

电源系统由产品电源、12V电源、24V电源组成。产品电源提供加速度计工作所需要的±15V电源, 12V电源提供开关灯工作所需电源, 24V电源提供电机控制器工作所需电源。

2.5 数据采集和处理系统

测试系统需要采集的数据有:温箱温度输出值、加速度计的角位置、加速度计的输出。温箱温度输出值、加速度计的角位置数据采用串口进行通讯和实现数据采集;由10通道扫描卡和KEITHLEY2001万用表通过GPIB卡实现通道选择和数据采集。

数据处理是指建立加速度计静态数学模型和计算各参数的温度系数。通过软件实现项目1的测试算法。

3、测试系统软件系统

3.1 测试系统软件介绍

3.1.1 简要功能和概要

a) 完成设备自检功能;

软件自检主要是检测操作系统的版本、系统对底层硬件的支持等。硬件自检主要包括对数字万用表和温箱的自检。如果出现异常情况, 计算机根据测试结果, 给出故障提示或报告。

b) 精密分度装置的精确控制功能;

系统通过COM1、COM2实现与精密分度装置的通讯和状态显示输出。通过全数字的速度环和位置环PID控制, 实现测试夹具水平面与重力加速度夹角的精确控制。

c) 温箱的控制功能

系统通过COM3实现与温箱的通讯和状态控制。函数接口由温箱生产厂家提供, 完成全温度测试下温箱精确控制。

d) 数字万用表的控制功能

系统通过IEEE488板提供的GPIB总线实现对数字万用表的控制, 函数接口由吉时利公司提供。

e) 系统加电控制功能

系统通过I/O板PCL720对继电器板PCLD885的控制实现对产品的加电控制。

f) 产品输出数据采集和处理功能

系统通过10通道扫描卡和数字万用表实现10只被测产品的切换和数据采集, 经前文提到的算法进行数据处理, 测试结果输出到标准表格, 打印输出。

g) 产品及设备故障检测报警功能

h) 设备校准功能

3.1.2 测试软件流程

根据实现的功能要求, 软件应包括以下主要模块:设备自检模块、温箱控制模块、数字万用表模块、精密分度装置控制模块、数据采集处理模块、主测试模块、校准模块。测试流程如图4。

测试系统程序主界面如图5所示:

4、结论

使用工控机通过标准板卡实现对精密分度装置、高低温箱、加速度计的上电及数据采集的控制, 利用测试算法实现对全温度下加速度计的零位、刻度系数、温度系数、阈值、分辨率、失准角等项目的测试输出。由于大量采用通用标准设备, 利用成熟技术, 保证了测试系统的可靠性, 为同类测控系统的研制提供了参考。

参考文献

[1]GJB1037-90单轴摆式伺服线加速度计试验方法.北京, 1990.

加速度计 篇5

基于地球敏感器和加速度计的月球车自主定向算法研究

月球车定向是月球车导航的一个重要组成部分,它是月球车定位的基础和前提.针对这一问题,提出了一种适用于月球车长时间、长距离导航的绝对定向算法.该算法利用非线性最小二乘平差原理对CCD地球敏感器成像进行处理,实现了在月球表面CCD地球敏感器的矢量观测功能.结合加速度计的测角原理,实现了航向角确定.以理论分析和实际推算描述了该定向方法的.具体实现过程,最后以仿真结果验证了该方案的可行性,为未来我国月球探测中月球车的实际应用提供了技术参考.

作 者：岳富占 崔平远 崔祜涛 居鹤华 YUE Fu-zhan CUI Ping-yuan CUI Hu-tao JU He-hua 作者单位：哈尔滨工业大学,深空探测基础研究中心,哈尔滨,150001刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：26(5)分类号：V448关键词：CCD地球敏感器 加速度计 最小二乘平差 月球车 航向角

加速度的合成分解与关联加速度 篇6

1加速度的合成

例1一人站在升降机中以相对升降机的速度V竖直上抛一球，若球不触及天花板并返回手中的总时间为t，求升降机向上运动的加速度大小。

分析由于升降机具有向上的加速度a，而球出手后只具有向下的加速度g，因此，球相对升降机的加速度为a球对机=g+a向下；又由于球恰好返回手中的瞬间相对升降机位移刚好为零，因此有a+g=2Vt,所以a=2V-gtt。在同一图中分别做出离手后的球和升降机的速度图线（图1，地面参考系，向上为正，V0为球抛出瞬间升降机对地速度，该图线同样可以整体向上或向下平移），由于球恰好返回手中体现在图线上是两块阴影部分的面积相等，而从图线上又可看出，在往返时间之半这一时刻（此时球刚好位于最高点）球与升降机对地速度相等，由V0+a·t2=V0+V-g·t2同样可解出结果a=2V-gtt。

例2在一个向左匀速行驶的车厢内有一高h的货架，货架边缘有一小球。当车突然以加速度a匀加速行驶时，小球从货架边缘脱，若小球下落时未与车厢的后壁相碰，求它的落点与货架边缘的水平距离。

分析如果在解题时把示意图画成图2中①的形式那就错了，这是因为如果以车为参考系，则小球既具有水平向右的加速度a，又具有竖直向下的加速度g，所以小球的合加速度a球对车=a2+g2，又由于球与车无相对初速，因此其运动轨迹应该是一条向后倾斜的直线（图2中的②）。只有以地面为参考系，球的运动轨迹才是抛物线，但这是一条向左方向的抛物线（图3）。于是，针对第一种情况有ag=tanθ=ΔSh,所以ΔS=ag·h;针对第二种情况有S车=V0t+12at2,S球=V0t,所以ΔS=S车-S球=12at2=12a·2hg=ag·h，两种解法的结果完全一致。



2加速度的分解

例3自动扶梯与水平面间的夹角为37°，当载人的扶梯向上做匀加速运动时，人对扶梯水平底面的压力大小为其重力的1.25倍，那么，扶梯底面对人的摩擦力大小为人体重的：（）

A.14倍。B.13倍。

C.54倍。D.43倍。

分析作出人随扶梯向上做匀加速运动时人的受力图（图4），并对扶梯加速度进行正交分解后可以看出，在竖直方向上有：N-mg=ma·sin37°;在水平方向上有：f静=macos37°，当N=54mg时，f静=14mg·cot37°=13mg，选B。

例4从倾角为θ的斜面项端以初速V0平抛一球，求：球被抛出后经多长时间，球离斜面最远？这个最远距离是多少？

分析球抛出后距离斜面最远的物理条件是球的速度方向与斜面平行（图5），此时由 。在具体计算小球离斜面的最远距离时，可将球的初速V0及加速度g分别沿平行斜面方向和垂直斜面方向正交分解，于是球的运动就可以看作沿斜面方向以初速为V0·cosθ，加速度为g·sinθ的匀加速直线运动和垂直斜面方向以初速V0·sinθ，加速度为g·cosθ作“类竖直上抛”运动的合成，此时根据竖直上抛规律必有Hm=（V0·sinθ）22g·cosθ=V20·tanθ·sinθ2g。



3一条直线上的关联加速度

例5设小船在无阻力的水面上静止漂浮，小船的质量为M、长为L。有一质量为m的人以相对船为a的加速度在船板上步行，则船相对于水面的加速度大小为____________。

分析在阻力不计的条件下，由于人对船的作用力和船人的作用力为系统内力，因此，以人的加速度方向为正方向，在绝对参考系中必定有ma人对地=-Ma船对地，根据加速度的传递关系及逆反关系，又有：a人对船=a人对地+a地对船=a人对地-a船对地=-Mma船对地-a船对地，

所以a船对地=-mm+Ma人对船，

即船相对于水面的加速度大小等于

例6如图6所示，一根轻绳跨过装在天花板下的定滑轮，轻绳的一端连接质量为M的物体，另一端吊着载人的梯子而平衡 ，已知人的质量为m。若滑轮与绳子的质量均不计，绳柔软且不可伸长。问为使滑轮对天花板的作用力为零，人相对于梯子应怎样运动？

分析只有跨过定滑轮左右两侧的细绳的拉力均为零，才能使滑轮对天花板的作用力等于零，而如果要求滑轮左侧绳的拉力为零，则重物必须以加速度a=g向下做匀加速运动，这就要求滑轮右侧人对质量为M-m的梯子施以竖直向上的推力F，于是对于梯子有：

此时对人则为：2（M-m）g+mg=ma(a为人对地的加速度)，

即人必须相对梯子以加速度2Mmg向下做匀加速运动。

4互成一定角度的关联加速度

例7斜劈A的质量为m1，倾解为θ，此斜劈的一面靠在光滑的墙上，另一面与质量为m2的光滑棱柱B接触，B可沿光滑水平面滑动，求斜劈A和棱柱B的加速度大小。

分析正确作出物体A、B的受力图（图7）

后，不难分别对两物体写出它们的动力学方程：m1g-N·sinθ=m1a1,

N·cosθ=m2a2。

以下为了找出两物体加速度间的关系，必须借助如下的分析：设当A沿Y轴移动的位移为ΔY时，B沿X轴移动的位移为ΔX，由于在ΔX与ΔY之间满足ΔXΔY=tanθ,因此在A、B两物体的加速度之间也应该存在着类似的关系（二者运动的时间相等），即a2a1=tanθ，有了这一关联加速度表达式，便不难通过上述方程组直接给出结果

例8将质量为m的物块置于倾角为θ、质量为M的木楔的斜面之上，一切接触面光滑，试证明当作用于木楔右侧的水平推力F=（m+M）g·tanθ时，物块与木楔将保持相对静止。并分别求出在θ=37°条件下，当推力F1=23（m+M）g·tanθ及F2=43（m+M）g·tanθ时，物块相对木楔滑动的加速度。

分析在图8-甲中，当水平推力F=（m+M）g·tanθ，其方向水平向左，这与系统整体共同以加速度a=gtanθ向左做匀加速运动的结论完全一致。

加速度计 篇7

用加速度计代替陀螺, 并且从加速度计测量的比力中解算出载体的角速度, 进而只用加速度计来组成捷联惯导的测量组合, 称为无陀螺捷联惯导系统 (GFSINS) , 它适用于大动态范围、导航时间较短载体的惯性制导, 其优点是低成本、低功耗、高可靠性、抗高过载等。随着新型高精度加速度计的出现和滤波技术的发展, 可达到较高精度的导航精度。目前, GFSINS研究引起了很大的重视, 成为一个研究的热点。

无陀螺惯性系统的主要技术特点是系统敏感器件全部由加速度计构成。对于传统的惯性系统, 载体角速度由陀螺仪输出得到, 线加速度由加速度计输出得到。而对于无陀螺惯性系统, 载体角加速度根据加速度计输出计算得到, 而角速度则由加速度积分得到。线加速度的计算与加速度计输出有关, 在某些构型下, 还与载体角速度有关。无陀螺惯性系统的误差主要包括加速度计本身的漂移误差、加速度计的构型安装误差等, 其中加速度计构型安装误差包括位置安装误差与方向安装误差。由于无陀螺惯性系统的特殊性, 各种误差对系统精度的影响更加明显。本文主要研究了加速度计安装误差的标定与补偿, 给出了一种标定和补偿的方法, 仿真结果证明了这种方法的有效性。

二、加速度计输出与载体运动的关系

加速度计一般用来测量载体的加速度 (也称为比力) , 加速度计的输出与其安装方式和载体运动的加速度有关。假设载体加速度为a, 重力加速度为g, 加速度计敏感轴在载体上的安装方向为a, 不考虑各种误差, 则加速度计输出可以表示为

式中, 〈…, …〉为内积;A为加速度计输出值。

在许多情况下, 载体既存在平运动也存在角运动, 如图1所示, Oa为惯性坐标系原点;{e1, e2, e3}分别为相互正交的坐标轴;O为体坐标系原点;{b1, b2, b3}为体坐标系相互正交的坐标系轴;体坐标系原点O到惯性坐标系原点Oa的矢量表示为Ra。

考虑空间一点M, 矢量可表示为r, 矢量可表示为ra, 则

假设矢量r在体坐标系中表示为u, 由于加速度计固连在载体上, u在体坐标系中为常量。体坐标系与惯性坐标系的关系用坐标转换矩阵Cba表示, 则M点的速度为

M点的加速度为

坐标转换矩阵Cba的微分可表示为

式中, 为载体加速度的反对称矩阵。上式再微分可得, 因此M点的加速度为

假设加速度计敏感轴在载体上的安装方向在体坐标系中的表示为, 显然为常量, 有, 则加速度计输出为

上式第一部分实际上是加速度计敏感到的载体线加速度, 而第二部分则是加速度敏感到的牵连加速度与哥氏加速度。

三、无陀螺惯性导航的基本原理

显然, 要使Q可逆, 至少需要六个加速度计。

传统的惯性测量系统利用三个陀螺仪来测量载体角速度, 三个加速度计测量三个方向的比力, 通过直接积分角速度可以得到载体姿态, 所以数值解中的姿态误差随着时间线性增长, 而位置涉及到比力和姿态的二次积分, 所以位置误差随着时间的立方增加。在无陀螺惯性系统中, 由上面的介绍可以看出, 载体角加速度正比于加速度计输出, 因此需要进行两次计分方可得到载体姿态信息, 而姿态与比力经过两次积分得到位置, 因此, 无陀螺惯性导航系统的姿态误差与时间的平方成正比, 而位置误差与时间的四次方成正比。惯性系统中的系统误差与测量误差会随着高次积分迅速放大, 寻找高精度导航及补偿算法是其中的关键问题。

四、灰色系统理论在角速度补偿中的应用

在上面的补偿方法中重要的环节就是要区分安装位置误差和安装方向误差, 这在有些时候也会给计算带来麻烦。下面就介绍一种不用区分这两种误差, 直接进行补偿的方法。

要得到准确的角速度值, 必须去除安装误差引起的加速度计输出误差。而加速度计输出误差是关于角加速度、角速度和安装误差的函数。在任一时刻t, 加速度计的输出误差为

由于在t时刻, 和是未知的。因此, 采用灰色预测方法对加速度计的输出误差进行预测。

灰色系统是20世纪80年代由华中理工大学邓聚龙教授提出的, 主要内容包括系统分析与建模、灰色预测与决策和灰色控制等。经过十多年的时间, 这一理论得到了迅速的发展和广泛的应用。灰色系统理论最大的特点是对样本量没有严格的要求, 不要求服从任何分布, 并且运算简捷方便。

灰色系统是指信息不完全与不确定的系统, 介于白色系统和黑箱之间, 是信息不完备的系统。灰色模型对于随机变动较多的数列拟合较差、精度较低, 然而在反映现象的趋势方面, 灰色模型有明显的优势。

灰色系统预测建模步骤如下:

五、仿真分析

这里以六加速度计为例进行仿真计算, 图2给出了安装误差补偿前后的导航结果。

结果分析:图2中可以看出, 把灰色系统理论引入到这里可以很好的对无陀螺惯性导航系统中的安装误差进行预测和补偿, 在很大程度上提高了角加速度的解算精度。这种方法的优点就是不用区分安装误差是什么引起的, 更简单易于操作, 也有利于在实际中应用。

六、结束语

无陀螺惯性导航为一些特殊环境下的导航提供了一种有效的解决方法。现在主要的应用瓶颈是元器件的精度问题和制造工艺方面的问题, 无陀螺惯性导航系统的特点决定了以后肯定会有发展前景。

加速度计 篇8

振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。大多数情况下, 振动是有害的, 它对仪器设备的精度、寿命和可靠性都有一定的影响。当然, 振动也有可利用的一面, 如应用于输送、清洗、磨削和监测等场合。无论是利用振动还是防止振动, 都须确定其量值, 即能够准确测量。

1 加速度计

压电式加速度传感器又称压电加速度计, 主要由质量块、压电敏感元件和基座等组成, 它是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时, 其内部会产生极化现象, 同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去除后, 又重新恢复到不带电状态, 这种现象称为压电效应, 具有压电效应的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等[1]。

在加速度计受振时, 质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时, 则力的变化与被测加速度成正比。

压电加速度计属发电型传感器, 可视为电压源或电荷源, 输出电压或电荷与振动加速度的比值即为传感器灵敏度。灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压 (mV) 与所承受加速度之比;后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。灵敏度是压电加速度计的主要技术参数。

2 加速度计的安装及对测量的影响

2.1 加速度计安装方式

在结构上选择加速度计的安装位置, 应尽可能靠近其要求的测量部位, 使它们具有同样的振动, 且使加速度计的灵敏轴与测量方向一致, 否则由于横向灵敏度将导致附加误差。加速度计的引入, 将影响结构的振动, 因此一方面要选择重量合适的加速度计;另一方面, 应使安装谐振频率远离测量频率, 避免其输出信号与加速度计所承受运动的比发生畸变[2]。

国家标准GB/T14412-2005《机械振动与冲击加速度计的机械安装》明确要求加速度计安装的程序及要求。

常见的传感器安装方式有6种:磁性座、氰基丙烯酸乙酯、双面胶带、蜂蜡、螺丝、螺丝+硅脂。

用磁铁安装加速度计十分方便且容易操作, 然而该方法会降低加速度计可用的频率带宽。磁铁不会随着环境的影响而改变, 但是磁铁的安装会大幅地降低共振的频率, 因此, 磁铁安装常用于低频测试。加速度计重量大于50g时, 可考虑用磁铁安装。此类加速度计一般有很高的灵敏度和很窄的带宽, 这时磁铁引起的共振是可以忽略不计的, 磁铁的额外重量会加重运动物体负荷, 测量时应考虑此重量对测量造成的误差。此安装方式的优点:使用方便, 使用温度范围宽, 支撑重量良好, 可改变尺寸;缺点:带宽变小, 在使用磁铁粘接加速度计时需要十分的谨慎。

氰基丙烯酸乙酯即502的主要成分, 使用温度范围通常在-18°C~+121°C, 它是一种用于粘合坚固塑料的胶液, 可用于粘接金属、玻璃、橡胶和各种塑料。其优点:室温时粘接效果好, 凝固时间较快, 频率响应宽, 温度范围宽;缺点:在拆卸传感器之前需要用溶剂溶解胶才能取下传感器, 拆卸时间长, 不能在粗糙表面上使用。

双面胶带有良好的温度使用范围, 它类似于氰基丙烯酸乙酯可直接粘合。其优点:使用方便, 温度使用范围宽;缺点:振幅范围有限, 当粘接较高或顶置接头的加速度计时, 电缆的运动会影响加速度计精度。

蜂蜡是一种可用于低温或常温的粘接剂, 和氰基丙烯酸盐一样, 在应用温度范围内有很好的频率响应。其优势:使用方便, 携带方便, 粘接迅速, 拆卸方便、迅速;缺点:受温度影响较大, 不易涂抹均匀。

用螺丝固定, 是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺丝不得全部拧入基座螺孔, 以免引起基座变形, 影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片固定加速度计, 但垫圈应尽量簿。也可用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上[3]。

由于安装方式的不同, 连接加速度计和振动面的介质弹性系数k不同, k越小, 共振频率就越小, 工作频率范围也就越小。

2.2 加速度计振动模型

根据动力学模型, 压电加速度计等效为线性弹簧-质量系统结构, 线性弹簧质量系统结构示意图如图1所示。

该系统共振频率为

由于加速度计的质量m1 一般只有几十克, 远远小于振动面的质量mb , 因此式 (1) 可以简化为

由式 (2) 可以看出:在加速度计质量不变的情况下, 不同安装方式的k1 不同, 导致共振频率的不同。

加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率, 接近共振频率时会导致输出信号的畸变。一般要求, 最高工作频率应远低于所选用加速度计的安装谐振频率, 通常其工作频率不大于安装谐振频率的20%。

3 不同安装方式对灵敏度影响的验证试验

为进行不同安装方式对灵敏度影响的试验, 将加速度计按不同的方式安装在标准振动台面上, 并同时将标准加速度计采用螺丝固定在标准振动台面上, 按JJG233-2008《压电加速度计》国家计量检定规程中参考灵敏度的检定方法, 采用比较法对6种不同安装方式下, 压电加速度计参考灵敏度的频率响应进行试验验证。

试验采用丹麦B&K公司4808型中频标准振动台, 1050型正弦信号发生器, 2706型功率放大器及8305型标准振动传感器套组。分别在20 Hz、40 Hz、80 Hz、160 Hz、300 Hz、500 Hz、1000 Hz和2000 Hz8个频率点上测量加速度计的灵敏度, 按式 (3) 计算加速度计灵敏度幅值S2 :

其中, S1 为标准加速度计灵敏度幅值, mV / (m·s ?2) 或pC / (m·s ?2) ;X 1为标准加速度计输出值, mV或pC;X2 为加速度计输出值, mV或pC[4]。

按上述6种不同安装方式进行测量, 经过10次测量求得平均值, 得到灵敏度频率响应, 数值如表1所示。

以螺丝+蜂蜡方式160Hz时的灵敏度为基准, 各灵敏度频率响应的偏差如图2所示。

单位:pC/ (m·s-2)

4 试验数据分析及结束语

如图2所示, 磁性座安装方式在500Hz时, 频率响应偏差超过了加速度计要求的2%;双面胶带安装方式在1000Hz频响有了接近5%的变化;而其它4种安装方式在 (20~2000) Hz范围内, 频率响应都是比较平滑的, 变化均在1%以内。

试验表明:在进行低频 (f<300Hz) 振动测量时, 6种安装方式都能确保安装附加偏差不超过1%。实际使用时, 建议以方便的方式进行安装;当要进行频率高于300Hz的振动测量时, 需采用氰基丙烯酸乙酯、蜂蜡、螺丝、螺丝+硅脂的安装方式, 其中螺丝、螺丝+硅脂的安装方式最为可靠。

参考文献

[1]李姣姣, 王东波, 赵祚喜, 等.基于三轴转台的MEMS惯性传感器参数测量方法[J].自动化与信息工程, 2012, 33 (5) :10-14.

[2]李立, 徐燕申, 孙容照.加速度计安装方式对振动测量的影响[J].机械设计, 1989 (1) :30-34.

[3]GB/T14412-2005机械振动与冲击加速度计的机械安装[S].北京:中国标准出版社, 2005.

加速度计 篇9

微机电系统 (MEMS) 将机械和电子元件集成在微米级的小型结构中。利用微机械加工将所有电气器件、传感器和机械元件集成至一片共用的硅基片, 从而由半导体和微加工技术组合而成。MEMS系统的主要元件是机械单元、检测电路以及ASIC或微控制器。本文简要介绍MEMS加速度计传感器和陀螺仪, 讨论其工作原理、检测结构以及目前市场的热点应用, 对我们日常生活具有深远的影响。

1 MEMS惯性传感器

MEMS传感器在许多应用中测量沿一个或多个轴向的线性加速度, 或者环绕一个或多个轴的角速度, 以作为输入控制系统 (图1) 。

MEMS加速度计传感器通常利用位置测量接口电路测量物体的位移, 然后利用模/数转换器 (ADC) 将测量值转换为数字电信号, 以便进行数字处理。陀螺仪则测量物体由于科里奥利加速度而发生的位移。

2 加速度计工作原理

根据牛顿第二定律, 物理加速度 (m/s2) 与受到的合力 (N) 成正比, 与其质量 (kg) 成反比, 加速度方向与合力相同。

值得注意的是, 加速度计的作用力检测单元捕获产生加速的力。所以, 加速度计实际测量的是力, 而不是加速度;基本上是通过测量施加在加速度计其中一个轴向的作用力间接测量加速度。

加速度计也是一种机电装置, 包括孔、空腔、弹簧和管道, 机械加工采用微加工技术。加速度计采用多层晶圆工艺, 通过检测物体重心相对于固定电极的位移测量加速力。

3 加速度计的检测单元

加速度计常见的检测方法是电容检测, 其中加速度与运动产生的电容变化相关 (图2) 。这种检测技术的优点是高精度、高稳定度、低功耗, 以及结构简单, 不容易受噪声及温度波动的影响。由于电容式加速度计的物理结构 (弹簧) 以及IC内的空气作为阻尼器, 其带宽只有几百赫兹。

ε0=自由空间的介电常数

εr=电极板之间的材料的相对介电常数

A=电极板之间的重叠面积

D=电极板之间的距离

电容结构可以为单侧或差分对。我们以差分对加速度计为例进行介绍 (图3) 。加速度计包括单个可移动物体 (一个表面) , 物体沿着弹簧方向放置, 介于两个固定的硅基片或电极 (另一平面) 之间。显而易见, 物体相对于固定电极 (d 1和d 2) 运动 (M o t i o n x) , 造成电容发生变化 (C 1和C 2) 。通过计算C2和C1之差, 得出物体重心的位移及其方向。

可移动物体的位移 (微米) 是由于加速引起的, 造成电容发生极其微小的变化, 可正确检测到这一变化 (式1) 。这种方式需要使用多个可移动和固定电极, 采用并联配置;可产生更大的电容变化, 提高检测精度, 并最终使电容检测技术更加可行。

上述过程可简单归纳为:作用力导致物体发生位移, 进而发生电容变化。将多个电极并联, 可获得更大的电容变化, 更容易检测到位移 (图4) 。V1和V2连接至电容的每侧, 电容分压器的中心连接到物体。

物体重心的模拟电压通过电荷放大、信号调理、解调及低通滤波, 然后利用Σ-ΔADC将其转换为数字信号。将ADC输出的数字比特流送至FIFO缓存器, 后者将串行信号转换为并行数据流。随后, 可通过诸如I2C或SPI等串行协议读取数据流, 再将其送至主机做进一步处理 (图5) 。

Σ-ΔADC具有信号带宽较窄, 分辨率非常高, 适合加速度计应用。Σ-ΔADC输出由其位数决定, 很容易转换成“g” (单位) , 用于加速度计算。“g”为重力加速度。

例如, 10位ADC的满幅读数为 (210-1=1023, 以3.3V为基准, 如果X轴读数为600, 那么我们即可利用下式得出X轴的电压:

X电压= (600×3.3) /1023=1.94V (3)

每个加速度都具有零点加速度对应的电压, 该电压对应于0g。我们首先计算相对于零加速度0g电压的偏移 (在数据资料中给出, 假设为1.65V) :1.94V-1.65V=0.29V (4)

现在, 为进行最终转换, 我们将0.29V除以加速度计的灵敏度 (在数据资料中给出, 假设为0.475 V/g) :

4 多轴加速度计

下面, 我们结合图3并以一个实际的加速度计为例进行讨论 (图6) 。

我们可清晰地将加速度计的每个元件与其力学模型关联起来。

将加速度计进行简单组装 (90度, 如图7所示) , 即可得到较精密应用所需的2轴加速度计。

有两种方法可构建两轴加速度计:将两个不同的单轴加速度计传感器互相垂直安装;使用单个质量块, 利用电容传感器测量沿两个轴向的运动。

5 选择加速度计

为指定应用选择加速度计时, 考虑以下关键特性非常重要:

1.带宽 (Hz) :传感器的带宽表示加速度计能够响应的振动频率范围, 或者能够获取可靠读数的频率。人类不可能产生超出10Hz-12Hz范围的运动。所以, 对于检测倾斜或人体运动来说, 40Hz至60Hz采样带宽足以满足要求。

2.灵敏度 (m V/g或LSB/g) :灵敏度衡量最小可检测信号, 或输入级每次变化时输出电信号的变化。与检测频率点相关。

3.电压噪声密度 (µg/SQRT Hz) :电压噪声随带宽的平方根倒数变化。我们读取加速度计的速度变化越快, 得到的精度越差。工作在输出信号较小的较低g条件时, 噪声对加速度计性能的影响较大。

4.0g电压:该指标表示加速度为0g时预计输出电压的范围。

5.频率响应 (Hz) :以容限范围 (±5%等) 给出频率范围, 在该频率范围内, 传感器将检测运动并提供有效输出。规定的容限范围使用户能够计算器件在规定频率范围内的任何频率下相对于参考灵敏度的偏差。

6.动态范围 (g) :加速度计可测量的最小检测幅值与输出信号失真或削波之前最大幅值之间的范围。

6 加速度计与陀螺仪的比较

介绍MEMS应用之前, 我们必须理解加速度计与陀螺仪之间的不同。加速度计测量沿一个或多个轴的线性加速度 (单位为m V/g) ;陀螺仪测量角速度 (单位为m V/deg/s) 。如果我们使加速度计进行旋转 (例如俯仰) (图8) , d1和d2的距离不发生变化。所以加速度计的输出不响应角速度变化。

我们可构建不同的传感器, 包含谐振传感器的内部框架通过弹簧连接至基片, 与谐振运动成90度角 (图9) 。那么我们就可以通过检测内部框架和基片之间安装的电极电容, 测量科里奥利加速度。

6 加速度计和陀螺仪应用

加速度计很久以来被广泛用于汽车领域, 用于检测汽车碰撞, 或在正确的时间开启气囊。其在移动领域的应用也很普遍, 例如肖像和风景模式之间切换、轻触切换至下首歌曲、设备放在口袋时通过衣服轻拍, 或者防抖动拍摄及光学稳像。

7 室内导航

加速度是速度的变化速率:

通过单次或二重积分, 我们可根据加速度计输出分别获得速度和距离信息。通过增加陀螺仪提供的信息, 即可利用特殊技术跟踪物体相对于已知起点的位置和方位。该信息用于室内导航, 无需外部参考或GPS信号 (图10) 。

8 光学稳像

人类手臂晃动的频率极低 (10Hz至20Hz) 。用最小、最轻的智能手机及照相机拍摄图片时, 手会发生抖动, 造成图像模糊。诸如光学缩放等特性加剧了这一问题, 使图像更加模糊。

假设一部SVGA照相机的分辨率为800x600像素, 视角为45度, 传感器水平漂移为0.08度。45/800=0.056度, 对应于1.42像素的模糊。随着照相机分辨率的提高, 模糊覆盖更多像素, 造成图像失真更严重。

基于陀螺仪的光学稳像 (图11) 及修正软件通过将机械陀螺仪的测量数据发送至微控制器及直线电机, 以移动图像传感器, 从而补偿图像模糊。

9 手势控制

我们可将MEMS加速度计传感器用于无线鼠标的手势控制、轮椅方向控制或Wii®控制台中的陀螺仪。其它例子还包括利用手势控制电视上光标的智能设备、“虚拟”旋钮, 甚至利用手持式无线传感器单元控制外部设备的手势命令。

1 0 结论

MEMS加速度计传感器和陀螺仪长久以来已经广泛用于运输、太空、工业机器人及汽车领域。但其应用的多样性现在已经扩展至智能手机, 为我们提供了与智能设备进行运动和手势交互的全新方式。理解MEMS行为以及加速度计或陀螺仪的特性, 使设计者能够为大批量应用设计更高效和低成本产品。这些MEMS器件也允许我们创建新的应用, 颠覆运动、身体活动及手势对我们日常生活的影响。

摘要：微机电系统 (MEMS) 在消费电子领域的应用越来越普及, 移动市场的增长也带动了MEMS需求的日益旺盛。实际上, MEMS传感器正在成为消费类和移动产品差异化的关键要素, 例如游戏控制器、智能手机和平板电脑。MEMS为用户提供了与其智能设备交互的全新方式。本文简要介绍MEMS的工作原理、检测架构以及各种潜在应用。

加速度计 篇10

Sigma - Delta ( ΣΔ ) 加速度传 感器利用 了 ΣΔ 调制技术 实现了数 字输出 , 相对于传 统加速度 传感器系 统 ,其对周围 环境温度 变化不太 敏感 , 而且稳定 性较好 , 尤其是其 能够很方 便地给后 级数字处 理单元提 供直接数 字输出 ,有利于系 统的集成[1,2]。 国外对于 ΣΔ 加速度传 感器系统 的研究开 展得较早 ,取得的研 究成果也 较多 。 国内在相 关的研究 方面落后 了很多 ,且主要集 中于低噪 声性能的 研究[3,4,5]。 然而谐波 失真是加 速度传感 器误差的 一个重要 来源 ,目前针对 其开展的 研究并不 多 。 文献[6] 开展了一种闭环微机械 加速度计的非线性研究 , 主要集中 于结构生 产工艺精 度偏差导 致质量块 零点偏移 进而导致 的非线性 问题 。 文献[1]开展了高 阶 ΣΔ 加速度传 感器的非 线性研究 , 研究了敏 感结构非 线性 、 运放非线 性增益 、静电力反馈非线性对系 统的影响。由于没有考虑其 他非线性 因素 ,文献[1]中在大信 号输入下 积分器和 敏感结构 非线性行 为级仿真 显示谐波 失真淹没 在噪声中 ,而静电力反馈非 线性谐波失真较大。 实际上在 加速度传 感器应用中,往往输入加速度信 号较大,在这种情况下 接口电路的 积分器建立 、开关导通电阻、沟道电荷注入效应 等都会产生非线性, 这些非线性的 建立和转 换过程会 在输出呈现出 较大的谐波失真 , 从而影响带 宽内有用 信号精度。 本文基于一种五阶 ΣΔ 加速度计闭环系统 ,分析了其各个 主要部分 的非线性 , 在MATLAB的Simulink下建立了非 线性模型进行仿真。 设计了一种 单端五阶 开关电容 ΣΔ 加速度计闭环接口 电路 , 对比行为级仿真结果和 电路仿真结果,验证了建立的模型 的有效性。

1 主要非线性特性分析

1 . 1 敏 感 结 构 引 起 的 电 荷 转 换 非 线 性

当传感器 感知外界 加速度ain时 , 质量块产 生位移x , 从而引起 了差动电 容值发生 相反的变 化 , 假如初始 电容为C0, 电容初始 间距为d0, 如果采用 图1所示的开 关电容检测 方法对差 动电容变 化进行检 测 ,则 :

其中A0= 2C0Vd/ Cf, Vd是参考电 压 。 当给系统 施加较大 的加速度 信号时 , 质量块位 移量x也较大 , 此时电荷 转换输出 电压的三 次谐波分 量不可忽 略 。 基于MATLAB/ Simulink下的函数 可以很容 易地建立 该非线性 模型 。

1 . 2 积 分 器 非 线 性

积分器是 ΣΔ 加速度计 系统中的 重要部分 , 主要非线 性部分来 源于非线 性的直流 增益 、 有限增益 带宽 、有限压摆 率等 。 图2是开关电 容积分器 的积分模 型图 。 如果运放 摆率足够 大 , 或者输入 信号较小 时 , 积分过程 的非线性 主要由积 分器中的 运放非线 性增益引 起 ,关于运放 的非线性 直流增益 模型已经 在文献 [1] 中给出 。 然而当考 虑到低功 耗设计或 者输入信 号较大时 ,运放的有 限压摆率 和带宽将 会导致积 分器的建 立非线性 。 此时有| Va( 0+) | > Io/ gm, 积分器输 出为 :

从式 (2)可以看出 ,当积分器 的输入信 号增大 ,由运放摆率和 带宽限制 的非线性 部分开始 占据主要 部分 。

1 . 3 开 关 非 线 性

用开关电 容电路来 实现 ΣΔ 加速度计 接口电路 时 , 模拟开关 的大量使 用会引入 开关的非 线性问题 。 开关在导 通时处于 线性工作 区 ,一般情况 下采用CMOS互补开关 ,则开关导 通电阻为 :

基于开关 导通电阻 的积分器 传输函数 为[7]:

其中r1~ r3是关于工 艺和电容 的系数 。 由上式可 以看出由开关导通电阻导致的积分器输出非线性。其本质上是由衬底偏置效应引起的。 同理,衬底偏置效应也会引起沟道电荷注入过程中 的非线性 ,导致谐波失真的产生 ,这些非线性的关系式可以很容易地在MATLAB中建立模型。

静电力反 馈非线性 和运放直 流增益非 线性已经 在文献[1]中给出 ,这里不再 详细描述 , 只在系统 建模中加 入其非线 性模型 , 建立完备 的整体 ΣΔ 加速度计 非线性模 型 。 另外为了 系统建模 时的准确 性 ,在系统模 型中加入 开关采样 抖动 、k T/C噪声 、 运放噪声 等等非理 想特性 , 结合上文 所描述的 开关非线 性 、C-V转换非线 性 、 积分器非 线性 、 静电力反 馈非线性 模块 , 建立的非 理想特性 五阶加速 度计系统 模型如图3所示 。 该五阶加 速度计结构参 考了文献 [3] 的结构 , 本文的加 速度计系 统基于一 种低Q值传感器 表头 , 该高阶结 构的稳定 性是基于 后级电学 调制器局 部反馈系 数的调整 。 当采样频 率为250 k Hz , 输入信号244 . 12 Hz , 信号幅度 为0 . 3 g时 , 行为级非 理想模型 仿真结果 如图4所示 ,系统输出 噪底的平 均值约为-150 d B,三次谐波 失真约为-103.9 d B。

2 电路设计和版图后仿真

图5是本文设 计的加速 度计接口 电路原理 图 。 图中包含了等效 的机械结构部 分(可变电容Cs1和Cs2) 、 前级低噪 声电荷敏 感电路 、 采样保持 电路 (S&H)、 积分器网 络以及比 较器电路 。 该设计的 前级低噪 声检测电 路参考了 文献[1]的设计思 路 ,实现高精 度的电荷 转换输出 。 后级三阶 积分器网 络和两阶 加速度计 表头构成 了五阶的 高阶系统 ,抑制了系 统的量化 噪声 。 积分器网 络中的采 样电容和 反馈电容 分离 ,这样能够 很方便地 实现局部 反馈因子 , 使得反馈 参考电压 能够一致 , 不用分别 设计参考 电压值 。 该结构采 用一位量 化输出 ,所以比较 器的输出 可以直接 用来控制 一位DAC反馈的开 关 , 将数字输 出转换成 模拟参考 信号 , 反馈给加 速度计表 头 。 在TSMC 0 . 35 μm工艺下对 该单端加 速度计接 口电路进 行版图设 计和优化 , 将该接口 电路的版 图网表导 入Spectre下进行后 仿真 , 采样频率 为250 k Hz, 输入正弦 信号同样 为244 . 12 Hz , 信号幅度 为0 . 3 g , 版图的后 仿真结果 如图6所示 ,系统输出 噪底的平 均值约为 -140 d B,比行为级 仿真结果高了约10 d B,这可能是前级电荷检测部分的 噪声混叠导 致的 。 版图后仿 真的二次 谐波失真 为-116.2 d B, 三次谐波 失真为 -104.5 d B。 二次谐波 的产生是 由于本文 为了简化 设计流程 ,采用了单 端实现的 方式 。 在版图设 计时由于 工艺参数 的误差 ,都会使得 设计值和 理想的参 数存在一 定的偏差 。 后仿真结 果的三次 谐波失真 和行为级 结果差别 不大 ,这从一个 方面反映 了行为级 非线性模 型的准确 性 。 另外版图 后仿真结 果显示其 和行为级 模型有一样的噪声整形能力,这说明了电路设计的正确性。

3 结束 语