單軸加速度傳感器的設計要點是什么？

 

單軸加速度傳感器檢測傾斜角時，檢測軸垂直于重力平面還是平行于重力平面?

 

單軸加速度傳感器可以用在比較簡單應用，比如簡單的有限角度傾斜角檢測。以檢測汽車的傾斜角來舉例，為了防止汽車側滑和翻車，一般汽車會采用一個加速度傳感器來檢測汽車的傾斜角。此時檢測軸應該垂直于重力平面。因為檢測軸與重力平面垂直時，加速度傳感器對于小角度變化的敏感度比較高，而汽車傾斜的角度一般不會太大。下面我們對比這兩種安裝方式的區(qū)別。

 

如下圖，坡度角θ。下圖左邊，檢測軸X軸垂直于重力平面（坡度為0時），此時加速度傳感器的輸出Ax=sin(θ)*1g。下圖右邊，檢測軸Z軸平行于重力平面（坡度為0時），此時加速度傳感器的輸出Az=cos(θ)*1g。

 

圖1. X軸和Z軸加速度傳感器安裝示意圖

 

我們把這兩種方式集中到一個圖。來對比兩種方式下，加速度傳感器的輸出變化。下圖中，紅色線段的長度，對應檢測軸垂直于重力平面時，加速度傳感器的輸出。綠色線段的長度，對應檢測軸平行于重力平面時，加速度傳感器的輸出。

 

圖2. 重力加速度在檢測軸上的分量

 

可以看出，當θ從0°到30°變化時，紅色線段變化明顯，而綠色線段則變化不明顯。可以看出在傾斜角小角度變化時，檢測軸垂直于重力平面的安裝方式，得到的靈敏度更高。現(xiàn)實世界中，道路上的絕大多數(shù)斜坡坡度不會超過30°。因此在檢測汽車傾斜角的方案中，如果使用單軸加速度傳感器，設置檢測軸方向垂直于重力平面方向比較合適。當然，如果傾斜角度在60°到90°范圍內，由于加速度傳感器與傾斜角度成sin（θ）函數(shù)的關系，加速度傳感器對角度變化的敏感度降低。

 

如何根據(jù)應用要求，來計算單軸加速度傳感器最小靈敏度?

 

假設實際應用要求傾斜角檢測范圍在-63°到+63°之間，并且檢測結果可以精確到1°。首先，引入增量靈敏度慨念，增量靈敏等于每個傾斜角步進對應的輸出增量，單位以mg顯示。S[g] = 1g*(sin(θ+P)-sin(θ))，（θ為當前角度，P為步長），增量靈敏度反應了輸出變化大小。設傾斜角度θ為X, 對應的增量靈敏度S[g]為Y作圖，我們得到:

 

圖3. 步進為1°時，增量靈敏度曲線

 

為了滿足應用在整個傾斜角檢測范圍內分辨率的要求，可以利用上圖的曲線來確定系統(tǒng)的最小靈敏度。假設應用要求最小分辨率為1°，傾斜角檢測范圍在-63°到+63°之間。根據(jù)上圖, 增量靈敏度在傾斜角0°到90°變化時, 逐漸變小，當?shù)竭_63°時，靈敏度降至4.074mg/1°。

 

對于數(shù)字輸出加速度傳感器，靈敏度一般使用LSB/g來表示。LSB為最低有效位，g為重力加速度。每個LSB要區(qū)分4.074mg輸出, 那么對應靈敏度最少是246LSB/g (1g/4.074mg)。在選擇加速度傳感器時，應保證加速度傳感器的靈敏度大于計算所得的最小靈敏度。

 

去哪兒查找加速度傳感器技術資源?

 

Digi-Key的網站中提供了大量加速度傳感器應用設計相關的技術資源，讓開發(fā)者可以輕松獲取。

 

物料選型資源

 

在Digi-Key網站上，除了可以根據(jù)參數(shù)篩選加速度傳感器，還有專門針對傳感器的傳感器選擇界面。

 

圖4. Digi-Key網站中傳感器選擇界面

 

一些主要的加速度傳感器廠商，如ADI， 也有相應的加速度傳感器選擇界面，方便用戶有針對性地篩選：

 

圖5. Digi-Key網站中ADI加速度傳感器選擇與開發(fā)板選擇頁面

 

Digi-Key內容庫

 

Digi-Key網站上還有許多技術文章，它們根據(jù)很產品類型、語言、供應商等進行了很好地分類。

 

比如你想尋找「ADI傳感器相關文章」，網站就會給出一些相關的內容，比如：采用ADXL326 和 12 位 ADC 測量加速度。

 

圖6. 在Digi-Key內容庫中的ADI傳感器相關文章

 

Digi-Key視頻庫

 

在Digi-Key視頻庫中有許多有趣的應用視頻。比如下面的視頻介紹的是如何一個使用ADI ADXL345BCCZ-RL7來記錄遙控小車墜落時，加速度傳感器的數(shù)據(jù)。觀看該視頻可點擊：加速度傳感器測量玩具車墜落過程。

 

圖7. Digi-Key視頻庫記錄加速度傳感器測量玩具車墜落過程的內容

 

更大的傾斜角范圍怎么辦？

 

 

單軸加速度傳感器適用于那些傾斜角范圍比較小，傾斜位置比較固定的應用。在很多實際應用中，傾斜角變化范圍可能會在0°到360°。此時使用雙軸或者三軸加速度傳感器更加適合。使用雙軸或者三軸加速度傳感器在檢測傾斜角應用上與單軸加速度傳感器有什么優(yōu)勢以及不同處呢？請看后續(xù)文章有關雙軸與三軸加速度傳感器。

 

 

推薦閱讀：