單軸加速度傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是什么?
發(fā)布時(shí)間:2019-06-03 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】加速度傳感器能夠測(cè)量各個(gè)方向上的加速度,由此可以計(jì)算出傾斜角,這在汽車、可穿戴設(shè)備以及到工業(yè)系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。本文介紹單軸加速度傳感器應(yīng)用過程中的兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn),希望能夠助力小伙伴們做好設(shè)計(jì)。
單軸加速度傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是什么?
單軸加速度傳感器檢測(cè)傾斜角時(shí),檢測(cè)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(jiǎn)單應(yīng)用,比如簡(jiǎn)單的有限角度傾斜角檢測(cè)。以檢測(cè)汽車的傾斜角來舉例,為了防止汽車側(cè)滑和翻車,一般汽車會(huì)采用一個(gè)加速度傳感器來檢測(cè)汽車的傾斜角。此時(shí)檢測(cè)軸應(yīng)該垂直于重力平面。因?yàn)闄z測(cè)軸與重力平面垂直時(shí),加速度傳感器對(duì)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(huì)太大。下面我們對(duì)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(cè)軸X軸垂直于重力平面(坡度為0時(shí)),此時(shí)加速度傳感器的輸出Ax=sin(θ)*1g。下圖右邊,檢測(cè)軸Z軸平行于重力平面(坡度為0時(shí)),此時(shí)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(gè)圖。來對(duì)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(zhǎng)度,對(duì)應(yīng)檢測(cè)軸垂直于重力平面時(shí),加速度傳感器的輸出。綠色線段的長(zhǎng)度,對(duì)應(yīng)檢測(cè)軸平行于重力平面時(shí),加速度傳感器的輸出。
圖2:重力加速度在檢測(cè)軸上的分量
可以看出,當(dāng)θ從0°到30°變化時(shí),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(shí),檢測(cè)軸垂直于重力平面的安裝方式,得到的靈敏度更高?,F(xiàn)實(shí)世界中,道路上的絕大多數(shù)斜坡坡度不會(huì)超過30°。因此在檢測(cè)汽車傾斜角的方案中,如果使用單軸加速度傳感器,設(shè)置檢測(cè)軸方向垂直于重力平面方向比較合適。當(dāng)然,如果傾斜角度在60°到90°范圍內(nèi),由于加速度傳感器與傾斜角度成sin(θ)函數(shù)的關(guān)系,加速度傳感器對(duì)角度變化的敏感度降低。
如何根據(jù)應(yīng)用要求,來計(jì)算單軸加速度傳感器最小靈敏度?
假設(shè)實(shí)際應(yīng)用要求傾斜角檢測(cè)范圍在-63°到+63°之間,并且檢測(cè)結(jié)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(gè)傾斜角步進(jìn)對(duì)應(yīng)的輸出增量,單位以mg顯示。S[g] = 1g*(sin(θ+P)-sin(θ)),(θ為當(dāng)前角度,P為步長(zhǎng)),增量靈敏度反應(yīng)了輸出變化大小。設(shè)傾斜角度θ為X, 對(duì)應(yīng)的增量靈敏度S[g]為Y作圖,我們得到:
圖3:步進(jìn)為1°時(shí),增量靈敏度曲線
為了滿足應(yīng)用在整個(gè)傾斜角檢測(cè)范圍內(nèi)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(shè)應(yīng)用要求最小分辨率為1°,傾斜角檢測(cè)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(shí), 逐漸變小,當(dāng)?shù)竭_(dá)63°時(shí),靈敏度降至4.074mg/1°。
對(duì)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(gè)LSB要區(qū)分4.074mg輸出, 那么對(duì)應(yīng)靈敏度最少是246LSB/g (1g/4.074mg)。在選擇加速度傳感器時(shí),應(yīng)保證加速度傳感器的靈敏度大于計(jì)算所得的最小靈敏度。
來源:得捷電子DigiKey
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