[科普中國(guó)]-三軸加速度計(jì)

加速度計(jì)

在空間飛行器的慣性測(cè)量系統(tǒng)、車(chē)輛船舶的傾斜測(cè)量、機(jī)器人的平衡姿態(tài)檢測(cè)、肢體姿態(tài)檢測(cè)等許多方面都需要測(cè)量物體的傾斜角。采用MEMS加速度傳感器來(lái)測(cè)量?jī)A斜角角度，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、不影響被測(cè)物體的機(jī)械機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。1

目前的加速度傳感器有多種實(shí)現(xiàn)方式，主要可分為壓電式、電容式及熱感應(yīng)式三種，這三種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。以電容式三軸加速度計(jì)的技術(shù)原理為例。電容式加速度計(jì)能夠感測(cè)不同方向的加速度或振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀況。其主要為利用硅的機(jī)械性質(zhì)設(shè)計(jì)出的可移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中主要包括兩組硅梳齒，一組固定，另一組隨即運(yùn)動(dòng)物體移動(dòng)；前者相當(dāng)于固定的電極，后者的功能則是可移動(dòng)電極。當(dāng)可移動(dòng)的梳齒產(chǎn)生了位移，就會(huì)隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。

工作原理目前的三軸加速度傳感器大多采用壓阻式、壓電式和電容式工作原理，產(chǎn)生的加速度正比于電阻、電壓和電容的變化，通過(guò)相應(yīng)的放大和濾波電路進(jìn)行采集。這個(gè)和普通的加速度傳感器是基于同樣的原理，所以在一定的技術(shù)上三個(gè)單軸就可以變成一個(gè)三軸。對(duì)于多數(shù)的傳感器應(yīng)用來(lái)看，兩軸的加速度傳感器已經(jīng)能滿(mǎn)足多數(shù)應(yīng)用。但是有些方面的應(yīng)用還是集中在三軸加速度傳感器中例如在數(shù)采設(shè)備，貴重資產(chǎn)監(jiān)測(cè)，碰撞監(jiān)測(cè)，測(cè)量建筑物振動(dòng)，風(fēng)機(jī)，風(fēng)力渦輪機(jī)和其他敏感的大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

三軸加速度計(jì)作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本組成元件，被廣泛的應(yīng)用于航空領(lǐng)域之中，其和系統(tǒng)控制器、處理器、存儲(chǔ)器之間的信號(hào)傳輸主要通過(guò)航天總線(xiàn)進(jìn)行。Space Wire作為專(zhuān)為航天系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以提高加速度計(jì)的傳輸速率，增強(qiáng)傳輸穩(wěn)定性。2

優(yōu)點(diǎn)三軸加速度傳感器的好處就是在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三維加速度傳感器來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)。三維加速度傳感器具有體積小和重量輕特點(diǎn)，可以測(cè)量空間加速度，能夠全面準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。

應(yīng)用車(chē)身安全、控制及導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用加速度傳感器在進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)之前，實(shí)際上已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子領(lǐng)域，主要集中在車(chē)身操控、安全系統(tǒng)和導(dǎo)航，典型的應(yīng)用如汽車(chē)安全氣囊、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序、電控懸掛系統(tǒng)等。目前車(chē)身安全越來(lái)越得到人們的重視，汽車(chē)中安全氣囊的數(shù)量越來(lái)越多，相應(yīng)對(duì)傳感器的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。整個(gè)氣囊控制系統(tǒng)包括車(chē)身外的沖擊傳感器、安置于車(chē)門(mén)、車(chē)頂，和前后座等位置的加速度傳感器、電子控制器，以及安全氣囊等。電子控制器通常為16位或32位MCU，當(dāng)車(chē)身受到撞擊時(shí)，沖擊傳感器會(huì)在幾微秒內(nèi)將信號(hào)發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會(huì)立即根據(jù)碰撞的強(qiáng)度、乘客數(shù)量及座椅/安全帶的位置等參數(shù)，配合分布在整個(gè)車(chē)廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和做出相應(yīng)評(píng)估，并在最短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電爆驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)安全氣囊保證乘客的生命安全。

除了車(chē)身安全系統(tǒng)這類(lèi)重要應(yīng)用以外，目前加速度傳感器在導(dǎo)航系統(tǒng)中的也在扮演重要角色。專(zhuān)家預(yù)測(cè)便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）將成為中國(guó)市場(chǎng)的熱點(diǎn)，其主要利于GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。而當(dāng)PND進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會(huì)因失去信號(hào)而喪失導(dǎo)航功能?；贛EMS技術(shù)的三軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤(pán)等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)，對(duì)GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。

硬盤(pán)抗沖擊防護(hù)目前由于海量數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)方面的需求，硬盤(pán)和光驅(qū)等元器件被廣泛應(yīng)用到筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝相機(jī)、便攜式DVD機(jī)、PMP等設(shè)備中。便攜式設(shè)備由于其應(yīng)用場(chǎng)合的原因，經(jīng)常會(huì)意外跌落或受到碰撞，而造成對(duì)內(nèi)部元器件的巨大沖擊。

為了使設(shè)備以及其中數(shù)據(jù)免受損傷，越來(lái)越多的用戶(hù)對(duì)便攜式設(shè)備的抗沖擊能力提出要求。一般便攜式產(chǎn)品的跌落高度為1.2~1.3米，其在撞擊大理石質(zhì)地面時(shí)會(huì)受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設(shè)計(jì)可由設(shè)備外殼或PCB板來(lái)分解大部分沖擊力，但硬盤(pán)等高速旋轉(zhuǎn)的器件卻在此類(lèi)沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤(pán)中內(nèi)置3軸加速度傳感器，當(dāng)?shù)浒l(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到加速的突然變化，并執(zhí)行相應(yīng)的自我保護(hù)操作，如關(guān)閉抗震性能差的電子或機(jī)械器件，從而避免其受損，或發(fā)生硬盤(pán)磁頭損壞或刮傷盤(pán)片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的情況。

消費(fèi)產(chǎn)品中的創(chuàng)新應(yīng)用三軸加速度傳感器為傳統(tǒng)消費(fèi)及手持電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了革命性的創(chuàng)新空間。其可被安裝在游戲機(jī)手柄上，作為用戶(hù)動(dòng)作采集器來(lái)感知其手臂前后、左右，和上下等的移動(dòng)動(dòng)作，并在游戲中轉(zhuǎn)化為虛擬的場(chǎng)景動(dòng)作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚(yú)竿等，把過(guò)去單純的手指運(yùn)動(dòng)變成真正的肢體和身體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)比以往按鍵操作所不能實(shí)現(xiàn)的臨場(chǎng)游戲感和參與感。