三軸加速度傳感器應(yīng)用詳解

加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀改進(jìn)過(guò)來(lái)的。另一種就是線(xiàn)加速度傳感器。它也可以按測(cè)量軸分為單軸、雙軸和三軸加速度傳感器。

現(xiàn)在，加速度傳感器廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動(dòng)和搖晃、汽車(chē)制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、振動(dòng)測(cè)試與分析以及安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察等多種領(lǐng)域。下面就舉例幾種應(yīng)用場(chǎng)景，更好的認(rèn)識(shí)加速度傳感器。

三軸加速度傳感器的應(yīng)用

1、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（Airbag）、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、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（Satellite Sensor）、安置于車(chē)門(mén)、車(chē)頂，和前后座等位置的加速度傳感器（G-Sensor）、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（Squib Driver）啟動(dòng)安全氣囊保證乘客的生命安全。

通常僅靠ABS和牽引控制系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛在彎曲路段上的行車(chē)安全要求。該場(chǎng)合下電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) （ESC） 就能夠通過(guò)修正駕駛員操作中的轉(zhuǎn)向不足或過(guò)度轉(zhuǎn)向，來(lái)控制車(chē)輛使其不偏離道路。該系統(tǒng)通過(guò)使用一個(gè)陀螺儀來(lái)測(cè)量車(chē)輛的偏航角，同時(shí)用一個(gè)低重力加速度傳感器來(lái)測(cè)量橫向加速度。將所得測(cè)量數(shù)據(jù)與通過(guò)行駛速度和車(chē)輪傾斜角兩項(xiàng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而調(diào)整車(chē)輛轉(zhuǎn)向以防止發(fā)生側(cè)滑。

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。 其主要利于GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。而當(dāng)進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)接收不良的區(qū)域或環(huán)境中，如遂道、高樓林立、叢林地帶，就會(huì)因失去信號(hào)而喪失導(dǎo)航功能?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS技術(shù)的3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)（DR， Dead Reckoning），對(duì)GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。

2、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，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，讓磁頭復(fù)位，以減少硬盤(pán)的受損程度。

3、消費(fèi)產(chǎn)品中的創(chuàng)新應(yīng)用

3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。

此外，3軸加速度傳感器還可用于電子計(jì)步器，人在走動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動(dòng)，而加速度傳感器可以檢測(cè)振動(dòng)的過(guò)零點(diǎn)，從而計(jì)算出人所走的步或跑步所走的步數(shù)，從而計(jì)算出人所移動(dòng)的位移。并且利用一定的公式可以計(jì)算出卡路里的消耗。

為電子羅盤(pán)（3D Compass）提供補(bǔ)償功能，如果不帶傾斜校正的電子指南針，需要用戶(hù)水平放置。而利用加速度傳感器可以測(cè)量?jī)A角的這一原理，可以對(duì)電子指南針的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償。

也可用于數(shù)碼相機(jī)的防抖，檢測(cè)手持設(shè)備的振動(dòng)/晃動(dòng)幅度，當(dāng)振動(dòng)/晃動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)鎖住照相快門(mén)，使所拍攝的圖像永遠(yuǎn)是清晰的。

3軸加速度傳感器的應(yīng)用范圍很廣， 還能用于手持設(shè)備的姿態(tài)識(shí)別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設(shè)備可實(shí)現(xiàn)畫(huà)面自動(dòng)轉(zhuǎn)向。

設(shè)備顯示的畫(huà)面和信息會(huì)根據(jù)用戶(hù)的動(dòng)作而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其通過(guò)內(nèi)部傳感器對(duì)重力向量的方向檢測(cè)來(lái)確定設(shè)備處于水平或垂直狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整顯示狀態(tài)，給用戶(hù)帶來(lái)方便。

4、趣味性擴(kuò)展功能

3軸加速度傳感器對(duì)用戶(hù)操控動(dòng)作的轉(zhuǎn)變還可轉(zhuǎn)化為許多趣味性的擴(kuò)展功能上，如虛擬樂(lè)器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊”（Wave Message）等。

虛擬樂(lè)器內(nèi)置的加速度傳感器可檢測(cè)用戶(hù)對(duì)手持設(shè)備的揮動(dòng)來(lái)控制樂(lè)器的節(jié)奏和音量等；骰子游戲也采用類(lèi)似的原理，通過(guò)對(duì)揮動(dòng)等動(dòng)作的感知來(lái)控制虛擬骰子的旋轉(zhuǎn)速度，并借助內(nèi)部數(shù)學(xué)模型抽象的物理定律決定其停止的時(shí)間。

“閃訊”是一個(gè)更富有想象力的應(yīng)用，用戶(hù)可利用此功能在空中進(jìn)行文字編輯。“閃訊”即讓手持設(shè)備通過(guò)加速度傳感器捕捉用戶(hù)在空中模擬寫(xiě)字的快速動(dòng)作，主要適合較暗的環(huán)境下使用。手持設(shè)備上會(huì)安裝發(fā)光的LED，由于人眼視網(wǎng)膜的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，其在空中揮動(dòng)的動(dòng)作會(huì)在其眼中留下短暫的連續(xù)畫(huà)面，完成寫(xiě)字的所有動(dòng)作筆順。

隨著MEMS微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)在傳感器領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，使得加速度傳感器的體積變得更加輕便、性能得到明顯提升。

MEMS加速度傳感器在醫(yī)療可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用

隨著可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展，特別是醫(yī)療可穿戴智能設(shè)備，主要依靠的是微型化的各種MEMS陀螺儀、加速度傳感器等的運(yùn)用，用來(lái)檢測(cè)到穿戴者的身體各項(xiàng)信息。例如， MEMS傳感器在無(wú)創(chuàng)胎心檢測(cè)中的應(yīng)用。

一種胎兒心率檢測(cè)儀（資料圖）

檢測(cè)胎兒心率是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽(tīng)診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計(jì)數(shù)很難測(cè)量準(zhǔn)確。 此外，超聲振動(dòng)波作用于胎兒，會(huì)對(duì)胎兒產(chǎn)生很大的不利作用盡管檢測(cè)劑量很低，也屬于有損探測(cè)范疇，不適于經(jīng)常性、重復(fù)性的檢查及家庭使用。

這時(shí)，MEMS加速度傳感器，便可以提供一種無(wú)創(chuàng)胎心檢測(cè)方法，研制出一種簡(jiǎn)單易學(xué)、直觀準(zhǔn)確的介于胎心聽(tīng)診器和多普勒胎兒監(jiān)護(hù)儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。

通過(guò)加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號(hào)處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過(guò)光隔離器件輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。

加速度傳感器的其他應(yīng)用

高壓導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的監(jiān)測(cè)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)監(jiān)測(cè)多采用視頻圖像采集和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量?jī)煞N主要技術(shù)方案。前者在野外高溫、高濕、嚴(yán)寒、濃霧、沙塵等天氣條件下，不僅對(duì)視頻設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性要求很高，而且拍攝的視頻圖像的效果也會(huì)受到影響，在實(shí)際使用中只能作為輔助監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法定量分析導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；而采用加速度傳感器監(jiān)測(cè)導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)情況，可定量分析輸電導(dǎo)線(xiàn)某一點(diǎn)上下振動(dòng)和左右擺動(dòng)的情況，能測(cè)出導(dǎo)線(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的振幅和頻率。

新型地震加速度傳感器

采用傳感器和控制系統(tǒng)一體化的設(shè)計(jì)，傳感器采用低功耗微型電子電容式加速度傳感器，控制系統(tǒng)使用嵌入式系統(tǒng)，配置了數(shù)據(jù)采集、電源、授時(shí)、通信等模塊，具備有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)的多種通信功能，可以在室內(nèi)外進(jìn)行大量的布設(shè)，通過(guò)多種方式聯(lián)網(wǎng)，可及時(shí)將數(shù)據(jù)傳回處理中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。 各國(guó)競(jìng)相加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化， 新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，加速度傳感器市場(chǎng)作為其中重要的一種類(lèi)型， 也將得到更廣泛的應(yīng)用！