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两个设计要点+三个技术资源:加速度器传感器应用必读!

2019-06-05
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加速度传感器能够测量各个方向上的加速度,由此可以计算出倾斜角,这在汽车、可穿戴设备以及到工业系统中都有广泛的应用。本文介绍单轴加速度传感器应用过程中的两个设计要点,以及Digi-Key网站资源在加速度传感器选型、设计方面相关的资源,希望能够助力小伙伴们做好设计。


单轴加速度传感器的设计要点是什么?


单轴加速度传感器检测倾斜角时,检测轴垂直于重力平面还是平行于重力平面?


单轴加速度传感器可以用在比较简单应用,比如简单的有限角度倾斜角检测。以检测汽车的倾斜角来举例,为了防止汽车侧滑和翻车,一般汽车会采用一个加速度传感器来检测汽车的倾斜角。此时检测轴应该垂直于重力平面。因为检测轴与重力平面垂直时,加速度传感器对于小角度变化的敏感度比较高,而汽车倾斜的角度一般不会太大。下面我们对比这两种安装方式的区别。


如下图,坡度角θ。下图左边,检测轴X轴垂直于重力平面(坡度为0时),此时加速度传感器的输出Ax=sin(θ)*1g。下图右边,检测轴Z轴平行于重力平面(坡度为0时),此时加速度传感器的输出Az=cos(θ)*1g。


1. X轴和Z轴加速度传感器安装示意图

 

我们把这两种方式集中到一个图。来对比两种方式下,加速度传感器的输出变化。下图中,红色线段的长度,对应检测轴垂直于重力平面时,加速度传感器的输出。绿色线段的长度,对应检测轴平行于重力平面时,加速度传感器的输出。


2. 重力加速度在检测轴上的分量

 

可以看出,当θ从0°到30°变化时,红色线段变化明显,而绿色线段则变化不明显。可以看出在倾斜角小角度变化时,检测轴垂直于重力平面的安装方式,得到的灵敏度更高。现实世界中,道路上的绝大多数斜坡坡度不会超过30°。因此在检测汽车倾斜角的方案中,如果使用单轴加速度传感器,设置检测轴方向垂直于重力平面方向比较合适。当然,如果倾斜角度在60°到90°范围内,由于加速度传感器与倾斜角度成sin(θ)函数的关系,加速度传感器对角度变化的敏感度降低。


如何根据应用要求,来计算单轴加速度传感器最小灵敏度?


假设实际应用要求倾斜角检测范围在-63°到+63°之间,并且检测结果可以精确到1°。首先,引入增量灵敏度慨念,增量灵敏等于每个倾斜角步进对应的输出增量,单位以mg显示。S[g] = 1g*(sin(θ+P)-sin(θ)),(θ为当前角度,P为步长),增量灵敏度反应了输出变化大小。设倾斜角度θ为X, 对应的增量灵敏度S[g]为Y作图,我们得到:



3. 步进为时,增量灵敏度曲线

 

为了满足应用在整个倾斜角检测范围内分辨率的要求,可以利用上图的曲线来确定系统的最小灵敏度。假设应用要求最小分辨率为1°,倾斜角检测范围在-63°到+63°之间。根据上图, 增量灵敏度在倾斜角0°到90°变化时, 逐渐变小,当到达63°时,灵敏度降至4.074mg/1°。

 

对于数字输出加速度传感器,灵敏度一般使用LSB/g来表示。LSB为最低有效位,g为重力加速度。每个LSB要区分4.074mg输出, 那么对应灵敏度最少是246LSB/g (1g/4.074mg)。在选择加速度传感器时,应保证加速度传感器的灵敏度大于计算所得的最小灵敏度。


去哪儿查找加速度传感器技术资源?


Digi-Key的网站中提供了大量加速度传感器应用设计相关的技术资源,让开发者可以轻松获取。


  • 物料选型资源


在Digi-Key网站上,除了可以根据参数筛选加速度传感器,还有专门针对传感器的传感器选择界面。


4. Digi-Key网站中传感器选择界面


一些主要的加速度传感器厂商,如ADI, 也有相应的加速度传感器选择界面,方便用户有针对性地筛选:


5. Digi-Key网站中ADI加速度传感器选择与开发板选择页面


  • Digi-Key内容库


Digi-Key网站上还有许多技术文章,它们根据很产品类型、语言、供应商等进行了很好地分类。


比如你想寻找「ADI传感器PK10计划相关的文章」,网站就会给出一些相关的内容,比如:采用ADXL326 和 12 位 ADC 测量加速度。


6. Digi-Key内容库中的ADI传感器PK10计划相关的文章


  • Digi-Key视频库


在Digi-Key视频库中有许多有趣的应用视频。比如下面的视频介绍的是如何一个使用ADI ADXL345BCCZ-RL7来记录遥控小车坠落时,加速度传感器的数据。观看该视频可点击:加速度传感器测量玩具车坠落过程。


6. Digi-Key视频库记录加速度传感器测量玩具车坠落过程的内容


更大的倾斜角范围怎么办?
 

单轴加速度传感器适用于那些倾斜角范围比较小,倾斜位置比较固定的应用。在很多实际应用中,倾斜角变化范围可能会在0°到360°。此时使用双轴或者三轴加速度传感器更加适合。使用双轴或者三轴加速度传感器在检测倾斜角应用上与单轴加速度传感器有什么优势以及不同处呢?请看后续文章有关双轴与三轴加速度传感器。

  

参考文献:

  • 使用加速度计进行倾斜检测

  • 如何用加速度计提高倾角测量精度

  • What You Need to Know to Choose an Accelerometer

  • Identify the right axis directions of Accelerometer

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