第一篇：雙軸加速度傳感器ADXL202及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

雙軸加速度傳感器ADXL202及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

2009年03月29日 15:08 不詳 作者：北京交通大學(xué) 翟飛 用戶評(píng)論（0）關(guān)鍵字：

引言

ADXL202是ADI公司出品的一款雙軸加速度測量系統(tǒng)，模擬輸入，可測量動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，測量范圍為±（2～10）g，輸出為周期可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)，可以直接與單片機(jī)或計(jì)數(shù)器連接。LPC2103為飛利浦公司的一款A(yù)RM7系列微控制器，主要用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制、POS機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)等領(lǐng)域。本文使用LPC2103實(shí)現(xiàn)對(duì)ADXL202加速度數(shù)據(jù)的采集與處理。1 ADXL202加速度傳感器

1.1 ADXL202的引腳定義及基本特性

ADXL202為單片集成電路，集成度高、結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號(hào)控制電路，以實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)。與其他加速度計(jì)相比，ADXL202可在很大程度上提高工作帶寬，降低噪聲影響，零重力偏差和溫度漂移也相對(duì)較低。圖1所示為ADXL202傳感器的引腳定義。

圖1 引腳定義

ST： 自檢，用于控制芯片自檢功能。接VDD時(shí)，輸出占空比為10%的波形，說明芯片正常工作。

COM： 引腳4、7。使用時(shí)需將2個(gè)COM端接在一起并接地。

T2： 經(jīng)電阻RSET接地，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)周期。輸出信號(hào)周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。

VDD： 電源。工作電壓范圍為+3.0～+5.25 V，可經(jīng)過100 Ω的去耦電阻接電源。

XFILT、YFILT： 經(jīng)電容接地，用于改變帶寬、濾除噪聲和抑制零點(diǎn)漂移。

Xout、Yout: 輸出。

圖2為ADXL202傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。ADXL202傳感器由振蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號(hào)輸出接口。X、Y方向傳感器是2個(gè)相互正交的加速度傳感器，它們同時(shí)工作，可以測量動(dòng)態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。傳感器之后級(jí)連相位檢波器，主要是用來修正信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的方向做出判斷。檢波器輸出的信號(hào)，通過一個(gè)32 kΩ 的電阻來驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)制器，通過在XFILT和YFILT 引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。

圖2 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 測量數(shù)據(jù)的計(jì)算及處理

(1)信號(hào)帶寬的計(jì)算通

過CX和CY來設(shè)定帶寬，在XFILT和YFILT引腳接上電容，通過低通濾波器來減少噪聲。3 dB帶寬的公式為：f=5 μF/C(x,y)(電容最小值為1 000 pF)(2)加速度的計(jì)算

輸出信號(hào)周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如圖3所示。

圖3 占空比信號(hào)

信號(hào)通過低通濾波器之后，占空比調(diào)制器把信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。通過T2引腳的外接電阻可以改變T2的周期（0.5～10 ms），這很適于在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比信號(hào)通過計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出占空比。加速度的計(jì)算可以通過下式得到：

a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）

例如，當(dāng)加速度為0g時(shí)，信號(hào)寬度T1與空閑寬度（T2－T1）相同，輸出信號(hào)的占空比為50％；當(dāng)加速度為1g時(shí)，信號(hào)寬度T1與空閑寬度（T2－T1）的比值為5∶3，輸出信號(hào)的占空比為62.5％。1.3 ADXL202的典型應(yīng)用

ADXL202傳感器最重要的應(yīng)用之一是傾斜度的測量。在進(jìn)行傾斜度測量時(shí)，需要讓傳感器的敏感軸（x軸）與重力方向垂直。如果與重力方向平行，物體傾斜對(duì)于加速度數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。圖4所示為加速度測量的原理圖。

圖4 加速度測量

當(dāng)ADXL202與重力矢量垂直時(shí)，其輸出隨傾斜度的變化大約為每度17.5 mg，當(dāng)兩者呈45°時(shí)，輸出變化值僅為每度12.2 mg，分辨率降低。表1為傾斜角度與加速度變化的關(guān)系。

表1 傾斜角度與加速度變化的關(guān)系 應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 2.1 硬件接口設(shè)計(jì)

LPC2103是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMIS CPU，并帶有8 KB片內(nèi)SRAM和32 KB嵌入的高速片內(nèi)Flash內(nèi)存。LPC2103具有LQFP48的較小封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2個(gè)外部中斷、最多可達(dá)32個(gè)GPIO。通過可編程的片內(nèi)PLL（可能的輸入頻率范圍：10～25 MHz）可實(shí)現(xiàn)最高70 MHz 的CPU 時(shí)鐘頻率。ADXL202傳感器與LPC2103的接口電路如圖5所示。

圖5 ADXL應(yīng)用電路圖

ADXL202加速度傳感器的T2經(jīng)125 kΩ電阻接地，可以得到信號(hào)輸出的周期為1 ms。

13、14引腳接+5 V電源，XFILT和YFILT經(jīng)0.1 μF電容接地，用于設(shè)置50 Hz帶寬。兩路輸出分別與LPC2103的P0.0和P0.2引腳相接，作為數(shù)據(jù)傳輸線。數(shù)據(jù)傳輸有兩種方法，分別為普通GPIO口方式和定時(shí)器捕獲中斷方式。

2.2 普通GPIO口方式

由于傳感器輸出均為DCM信號(hào)，無論采用什么方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，都需要定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作，對(duì)DCM信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)處理。因此，程序首先要對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化。然后分別對(duì)DCM信號(hào)的高電平和低電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到T1、T2的值，再進(jìn)行加速度計(jì)算。由于默認(rèn)情況下GPIO均為普通I/O方式，所以開始不用設(shè)置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下： #define KEY 0x00000001//X軸加速度P0.0,前向加速度 T1PR=0;//預(yù)分頻為0，使得T1TC即為pclk個(gè)數(shù) while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低電平跳出 while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高電平跳出 T1TCR=0x03;//啟動(dòng)并復(fù)位T1TC T1TCR=0x01;while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿來臨 t1=T1TC;//取此時(shí)計(jì)數(shù)器的值 T1TC=0x00;//復(fù)位計(jì)數(shù)器

while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的來臨 t2=T1TC;T1TCR=0x00;//關(guān)閉定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1 a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//計(jì)算加速度

普通GPIO口方式的程序比較簡單，雖然程序的執(zhí)行需要時(shí)間，但由于LPC2103的主頻可以達(dá)到40 MHz，執(zhí)行幾條指令只需幾微秒，所以產(chǎn)生的誤差會(huì)很小。但普通GPIO方式程序執(zhí)行時(shí)，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到來，大大降低了CPU的使用效率?？梢允褂脠D5所示Xout與LPC2103的接口方式。2.3 定時(shí)器捕獲中斷方式

如圖5所示，Yout與LPC2103的P0.2引腳相接，利用P0.2的功能復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)器捕獲中斷方式接收傳感器數(shù)據(jù)。主要程序段如下： #define ya 0x00000004//引腳功能初始化

PINSEL0=0x00000020;//設(shè)置引腳連接為定時(shí)器0的捕獲通道0 PINSEL1=0x00000000;//向量中斷設(shè)置

VICIntSelect=0x00000000;//設(shè)置所有中斷為IRQ中斷 VICVectCntl0=0x24;//定時(shí)器0中斷為最高優(yōu)先級(jí)

VICIntEnable=0x0010;//使能定時(shí)器0中斷定時(shí)器0初始化 T0PR=0;//預(yù)分頻為0，使T0TC即為pclk的個(gè)數(shù)

T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0為上升、下降沿捕獲，觸發(fā)中斷 T0MR0=0xFFFFFFFF;//設(shè)置匹配值 T0TCR=0x03;//啟動(dòng)并復(fù)位T0TC T0TCR=0x01;//中斷服務(wù)程序 void __irq time0(void){ T0IR = 0x10;//復(fù)位定時(shí)器中斷標(biāo)志 if((IOPIN&ya)==0){ t1=T0CR0;//讀取T0TC T0TC=0x00;//復(fù)位T0TC } else if((IOPIN&ya)!=0){ t2=TOCR0;//讀取TOTC T0TC=0x00;//復(fù)位T0TC } VICVectAddr =0x00;//中斷處理結(jié)束 }

中斷處理程序運(yùn)行之后，得到的信號(hào)周期應(yīng)為T2=t1+t2。故加速度為(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中斷服務(wù)程序大大提高了CPU的使用效率，但程序較為復(fù)雜，并且占用了一個(gè)中斷向量通道。結(jié)語

ADXL202傳感器的應(yīng)用方法經(jīng)過驗(yàn)證完全可行，并且能夠達(dá)到較高的測量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器組成的系統(tǒng)完全可以用于汽車、火車等交通工具的安全控制系統(tǒng)。ADXL202在慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車保險(xiǎn)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，精度高、集成度高、功耗低等特點(diǎn)使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：三軸加速度傳感器的步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)==

三軸加速度傳感器的步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

近年來隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，加速度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域并擁有良好的發(fā)展前景。例如在智能家居、手勢識(shí)別、步態(tài)識(shí)別、跌倒檢測等領(lǐng)域，都可以通過加速度傳感器實(shí)時(shí)獲得行為數(shù)據(jù)從而判斷出用戶的行為情況。

目前許多智能手機(jī)都內(nèi)置多種傳感器，通過預(yù)裝軟件就能夠獲得較精確的原始數(shù)據(jù)。本文提出一種基于三軸加速度傳感器，用智能手機(jī)采集用戶數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及特征提取獲得特征矩陣并分類識(shí)別的方法，有效地識(shí)別了站立、走、跑、跳四種動(dòng)作。

人體動(dòng)作識(shí)別處理過程主要包含數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、特征提取和分類器識(shí)別數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊安裝在用戶端，另一個(gè)數(shù)據(jù)接收模塊接在電腦終端上。

由于我們制作的采集模塊很輕、很小，所以方便佩戴。當(dāng)用戶運(yùn)動(dòng)時(shí)，三軸加速度傳感器會(huì)將據(jù)采集并通過無線方式發(fā)送給電腦接收模塊，再通過電腦上的軟件部分對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將結(jié)果輸出，顯示用戶的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

本文使用的加速度傳感器數(shù)據(jù)來自于共計(jì)６０個(gè)樣本。傳感器統(tǒng)一佩戴于腰間。本文選取了其中一位采集者的數(shù)據(jù)用于主要分析研究，其余兩位采集者的數(shù)據(jù)則用于驗(yàn)證由第一位采集者數(shù)據(jù)研究所得的結(jié)論，這樣的做法既減小了數(shù)據(jù)處理的繁雜又能保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。預(yù)處理應(yīng)用程序設(shè)置的采集時(shí)間間隔為０．１ｓ，對(duì)每一個(gè)動(dòng)作的采集時(shí)間為２５ｓ?？紤]到用戶在采集數(shù)據(jù)一開始與將要結(jié)束時(shí)的動(dòng)作不平穩(wěn)可能對(duì)數(shù)據(jù)帶來較大影響，前２ｓ２ｓ采集的數(shù)據(jù)將被舍棄不予分析。因原始加速度信號(hào)一般都含有噪聲，為了提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常在原始加速度信號(hào)進(jìn)行特征提取前對(duì)其進(jìn)行去躁、歸一化、加窗等預(yù)處理。通過加窗處理，不僅規(guī)整了加速度信號(hào)的長度，而且方便研究人員按照需要選擇適宜的信號(hào)長度，這樣有利于后續(xù)的特征提取。

許多研究人員使所示。研究人員采集的加速度傳感器信號(hào)由于采集者的動(dòng)作力度不同造成加速度信號(hào)的幅度差異較大，這會(huì)對(duì)之后的分類識(shí)別造成負(fù)面影響，歸一化技術(shù)可以調(diào)整加速度信號(hào)的幅度，按照一定的歸一化算法可以使加速度信號(hào)的幅度限定在某一數(shù)值范圍內(nèi)，文獻(xiàn)[２]在識(shí)別跑、站立、跳和走路這四種動(dòng)作時(shí)對(duì)四種動(dòng)作的加速度信號(hào)進(jìn)行了歸一化；文獻(xiàn)[３]在進(jìn)行手勢識(shí)別時(shí)對(duì)手勢動(dòng)作的加速度信號(hào)進(jìn)行了歸一化處理。特征提取特征提取和選擇模塊的作用在于從加速度信號(hào)中提取出那些表征人體行為的特征向量，處于預(yù)處理模塊和分類器模塊之間，是人體行為識(shí)別過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響分類識(shí)別的效果。特征的提取方法具有多樣性，對(duì)于不同的識(shí)別目的，研究人員會(huì)提取不同的特征，例如為了識(shí)別分類站立和跑步，研究人員通常會(huì)選取方差和標(biāo)準(zhǔn)差這類能夠反映加速度信號(hào)變化大小的特征，而為了識(shí)別分類走路和跑步，研究人員通常會(huì)選取能量和均值這類能夠反映加速度信號(hào)大小的特征。使用不同的特征表征行為會(huì)對(duì)分類識(shí)別效果產(chǎn)生不同的影響，因此尋找更加有效的特征一直是研宄人員關(guān)注的一個(gè)課題。通過查閱大量的文獻(xiàn)，大致可以把加速度信號(hào)的特征概括為時(shí)域特征、頻域特征和時(shí)頻特征這三類本文選取了加速度的閾值作為識(shí)別不同動(dòng)作的主要特征。每個(gè)加速度包含了軸的加速度信號(hào)，分別代表了前后、左右、上下這三位的加速度信號(hào)。我們都知道，人體日常行為的不同動(dòng)作的劇烈程度是不相同的，動(dòng)作的幅度自然不一樣。因此本文主要選取加速度的閾值作為識(shí)別不同動(dòng)作的主要特征。種動(dòng)作數(shù)據(jù)的其中一個(gè)窗格，每個(gè)窗格時(shí)間跨度為３ｓ。由圖個(gè)軸的加速度大小都不一樣，而每個(gè)軸的加速度大小與方向又與加速度傳感器佩戴在采集者身上的方向位置有關(guān)，因此不容易定性分析。而以合加速度的閾值作為用于主要分析的特征，則不用考慮個(gè)軸加速度的分量大小與方向，又可以使各個(gè)動(dòng)作的幅值差異基于三軸加速度傳感器的人體動(dòng)作識(shí)別研究（廣東第二師范學(xué)院物理系，廣東廣州５１０３０３）ＨｕｍａｎＡｃｔｉｖｉｔｙＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＢａｓｅｄＴｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ

摘要：提出一種基于三軸加速度傳感器的人體動(dòng)作識(shí)別方法，通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取多種統(tǒng)計(jì)特征包括標(biāo)準(zhǔn)差、閾值、偏度、峰度等進(jìn)行分類識(shí)別。能夠有效地識(shí)別站立、行走、跑、跳這四種人體基本日常行為動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：人體動(dòng)作識(shí)別，閾值，加速度傳感器，特征提取

Abstract：Ｉｎｐａｐｅｒ,ａｍｅｔｈｏｄａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｂａｓｅｄ３Ｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｔｅｒｓｅｎｓｏｒｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄ,ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ,ｍａｎｙｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎ,ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ,ｓｋｅｗｎｅｓｓｋｕｒｔｏ-ｓｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｃｏｇｎｉｚｅｆｏｕｒｈｕｍａｎｄａｉｌｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ：ｓｔａｙｉｎｇ,ｗａｌｋｉｎｇ,ｒｕｎｎｉｎｇｊｕｍｐｉｎｇ．Keywords：ｈｕｍａｎａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｚｅ,ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ,ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｄａｔａ,ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ*２０１５國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于三軸加速度傳感器的人體動(dòng)作識(shí)別研究資助（１４２７８１５０３７）加速度信號(hào)的加窗３１基于三軸加速度傳感器的人體動(dòng)作識(shí)別研究（上接第３０參考文獻(xiàn)〔１〕張鐸．自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用案例分析〔Ｍ〕．武漢：武漢大學(xué)出版社，２０１０：５６－６７〔２〕范書瑞，李琦，趙燕飛．Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３嵌入式處理器原理與應(yīng)用〔Ｍ〕．北京：電子工業(yè)出版社，２０１１：３４－３６〔３〕汪浩．物聯(lián)網(wǎng)的觸點(diǎn)：ＲＦＩＤ技術(shù)及專利的案例應(yīng)用〔Ｍ〕．北京：科學(xué)出版社，２０１０：３３－３９〔４〕Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ＧｓｍＳｔａｎｄａｒｄ：ＧＳＭ,Ｓｈｏｒｔｍｅｓｓａｇｅｐｅｅｒ－ｐｅｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌ,ＥｎｈａｎｃｅｄＤａｔａＲａｔｅｓＧＳＭＥｖｏｌｕｔｉｏｎ,ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＮｅｔｗｏｒｋ[Ｍ]．ＧｅｎｅｒａｌＢｏｏｋｓＬＬＣ,２０１１：１２１－１２３〔收稿日期：２０１５．９．１〕一目了然。合加速度：ａ＝（ａ識(shí)別分類每個(gè)合加速度值以１ｇ作歸一化處理后，合加速度都是９．８的相對(duì)值，沒有了量綱。各動(dòng)作的的閾值設(shè)定如圖可以清楚地看出，站立動(dòng)作的閾值都低于１．２，走的動(dòng)作閾值則介乎１．２１．９之間，跑的動(dòng)作閾值介乎１．９２．６之間，跳的閾值則是高于２．６?；谶@種動(dòng)作的閾值差異與設(shè)定值，可以設(shè)定如圖的基本算法。每３ｓ導(dǎo)入一次數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度設(shè)定為一個(gè)窗格（即３ｓ）。支持向量機(jī)ＳＶＭ（ＳｕｐｐｏｒｔＶｅｃｔｏｒＭａｃｈｉｎｅ）是Ｃｏｒｔｅｓ１９９５年首先提出的，它在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，并能夠推廣應(yīng)用到函數(shù)擬合等其它機(jī)器學(xué)習(xí)問題中。它是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的ＶＣ維理論和結(jié)構(gòu)分險(xiǎn)最小原理基礎(chǔ)上的，根據(jù)有限的樣本信息在模型的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)能力之間尋求最佳折衷，以期獲得最好的推廣能。支持向量機(jī)對(duì)于線性不可分的情況，通過使用非線性映射算法，將低維輸入空間特性不可分的樣本轉(zhuǎn)化為高維特征空間使其線性可分，從而使得高維特征空間采用線性算法對(duì)樣本的非線性特征進(jìn)行線性分析成為可能。特別在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢結(jié)束語本文提出了一種基于三軸加速度傳感器的人體動(dòng)作識(shí)別研究方法，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、加窗等預(yù)處理，提取合加速度的閾值特征，利用支持向量機(jī)進(jìn)行分類識(shí)別，有效地識(shí)別了站種動(dòng)作，平均識(shí)別率能達(dá)到９５％，證明了此方法的有效性。本文未來的研究工作還可以對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理進(jìn)行優(yōu)化，引用更多更全面的方法對(duì)數(shù)據(jù)去躁；此外，本文對(duì)數(shù)據(jù)的特征提取仍過于單一，未來可考慮引入四分位差、偏度、峰度等特征，把走再細(xì)分為上樓與下樓，設(shè)計(jì)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ǎ浞挚紤]算法的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，提高對(duì)各種動(dòng)作的識(shí)別分類。參考文獻(xiàn)〔１〕ＹａｎｇＰ．Ｕｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅ-ｍｅｎｔｓａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｅａｒｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｎｅｕｒａｌｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｓ[Ｊ]．Ｐａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｌｅｔｔｅｒｓ,２００８,２９(１６)：６４２２１３－２２２０〔２〕ＨｅＡｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｆｒｏｍａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｄａｔａｕｓｉｎｇＡＲｍｏｄｅｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＳＶＭＭａｃｈｉｎｅＬｅａｒｎ-ｉｎｇＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ,２００８ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＩＥＥＥ,２００８,４：２２４５－２２５０〔３〕劉蓉，劉明．基于三軸加速度傳感器的手勢識(shí)別〔Ｊ〕．計(jì)算機(jī)工程，２０１１，３７（２４）：１４１－１４３〔４〕ＨｓｕＣｈｉｈ－Ｗｅｉ,ＣｈａｎｇＣｈｉｈ－Ｃｈｕｎｇ,ＬｉｎＣｈｉｈ－Ｊｅｎ．ｐｒａｃｔｉ-ｃａｌｇｕｉｄｅｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＢｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ,２０１０,１(１)：１－１６〔５〕吳青，趙雄．一類新樣條光滑支持向量機(jī)〔Ｊ〕．西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，２０１３，１８（６）：６８－７４〔６〕徐川龍，顧勤龍，姚明海．一種基于三維加速度傳感器的人體行為識(shí)別方法〔Ｊ〕．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，２０１３，２２（６）：１３２－１３５〔７〕衡霞，王忠民．基于手機(jī)加速度傳感器的人體行為識(shí)別〔Ｊ〕．西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，２０１４．０６．０１５〔收稿日期：２０１５．８．４〕

第三篇：三軸加速度傳感器的技術(shù)原理與市場前景分析

三軸加速度傳感器的技術(shù)原理與市場前景分析

技術(shù)分類： 測試與測量| 2008-06-17

意法半導(dǎo)體公司模擬、功率與微機(jī)電組件產(chǎn)品市場經(jīng)理 郁正德: EDN China

目前，隨著iPod、iPhone、Sony PS3，以及Wii等游戲和娛樂類系列消費(fèi)類產(chǎn)品的成功和熱銷，業(yè)界普遍預(yù)測微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro Electro-Mechanical System）類產(chǎn)品將成為半導(dǎo)體行業(yè)的下一個(gè)高速增長點(diǎn)。MEMS帶來的的操作、功耗，和尺寸上的革命性變革是其成功進(jìn)入消費(fèi)類電子市場的關(guān)鍵。其使更具創(chuàng)新性的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)成為可能，而且能給用戶帶來全新的使用體驗(yàn)。

以上提到的產(chǎn)品中都應(yīng)用了加速度傳感器作為動(dòng)作操控和UI操作的接收裝置。在Wii和PS3中，加速度傳感器可以靈敏地感測游戲者的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)換為游戲中的虛擬人物、物品或交通工具的動(dòng)作和狀態(tài)等并顯示在畫面中。iPod和iPhone中的加速度傳感器則可以根據(jù)用戶的動(dòng)作而相應(yīng)地對(duì)菜單進(jìn)行操作，例如調(diào)整頁寬和改變內(nèi)容顯示方向等。

目前3軸加速度傳感器的單位售價(jià)已降至1.5美元以下，相信在更大的需求量條件下有望突破1美元。較低的成本在以價(jià)格為主導(dǎo)的消費(fèi)電子市場必將成為優(yōu)勢之一。車身安全、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)電子市場之前，實(shí)際上已被廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域，主要集中在車身操控、安全系統(tǒng)和導(dǎo)航，典型的應(yīng)用如汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。

目前車身安全越來越得到人們的重視，汽車中安全氣囊的數(shù)量越來越多，相應(yīng)對(duì)傳感器的要求也越來越嚴(yán)格。整個(gè)氣囊控制系統(tǒng)包括車身外的沖擊傳感器（Satellite Sensor）、安置于車門、車頂，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。除了車身安全系統(tǒng)這類重要應(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。專家預(yù)測便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）將成為中國市場的熱點(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。基于MEMS技術(shù)的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創(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。

硬盤抗沖擊防護(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，越來越多的用戶對(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板來分解大部分沖擊力，但硬盤等高速旋轉(zhuǎn)的器件卻在此類沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤中內(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)生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的情況。

消費(fèi)產(chǎn)品中的創(chuàng)新應(yīng)用

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，作為用戶動(dòng)作采集器來感知其手臂前后、左右，和上下等的移動(dòng)動(dòng)作，并在游戲中轉(zhuǎn)化為虛擬的場景動(dòng)作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚竿等，把過去單純的手指運(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，為電子羅盤（3D Compass）提供補(bǔ)償功能，也可用于數(shù)碼相機(jī)的防抖。以上提到的種種創(chuàng)新應(yīng)用使其成為下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必不可少的元件。

1．姿態(tài)與動(dòng)作識(shí)別

3軸加速度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，除了文中提到的游戲動(dòng)作操控外，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)畫面自動(dòng)轉(zhuǎn)向。iPod Touch就內(nèi)建了此功能，設(shè)備顯示的畫面和信息會(huì)根據(jù)用戶的動(dòng)作而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其通過內(nèi)部傳感器對(duì)重力向量的方向檢測來確定設(shè)備處于水平或垂直狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整顯示狀態(tài)，給用戶帶來方便。

傳感器對(duì)震動(dòng)的感知性能也可將以前傳統(tǒng)的按鍵動(dòng)作變化為震動(dòng)，用戶可通過單次或多次震動(dòng)來進(jìn)行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴(kuò)展至對(duì)用戶界面元素的操控。如屏幕顯示內(nèi)容的上下左右等方向的瀏覽可通過傾斜手持設(shè)備來完成。

2．趣味性擴(kuò)展功能

3軸加速度傳感器對(duì)用戶操控動(dòng)作的轉(zhuǎn)變還可轉(zhuǎn)化為許多趣味性的擴(kuò)展功能上，如虛擬樂器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊”（Wave Message）等。虛擬樂器內(nèi)置的加速度傳感器可檢測用戶對(duì)手持設(shè)備的揮動(dòng)來控制樂器的節(jié)奏和音量等；骰子游戲也采用類似的原理，通過

對(duì)揮動(dòng)等動(dòng)作的感知來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，用戶可利用此功能在空中進(jìn)行文字編輯?！伴W訊”即讓手持設(shè)備通過加速度傳感器捕捉用戶在空中模擬寫字的快速動(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)畫面，完成寫字的所有動(dòng)作筆順。

3．功耗控制

功耗一直是便攜設(shè)備設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素，內(nèi)置3軸加速度傳感器則使設(shè)備可通過檢測設(shè)備的使用狀況來對(duì)其用電模式加以控制，從而有效延長電池的使用時(shí)間。Thelma制程技術(shù)

成熟的制程技術(shù)是3軸加速度傳感器和其他MEMS產(chǎn)品在消費(fèi)電子產(chǎn)品市場成功的關(guān)鍵之一。目前，為了達(dá)到產(chǎn)量及質(zhì)量控制的嚴(yán)格要求，充分利用全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的制造和材料資源，以及生產(chǎn)流程控制經(jīng)驗(yàn)，MEMS類元器件大多采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS半導(dǎo)體制造技術(shù)，這樣不但能使其生產(chǎn)制造從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受惠，還能讓MEMS元器件隨光照制程的微型化先進(jìn)制程不斷演進(jìn)和發(fā)展，產(chǎn)品體積更小。

然而在制程技術(shù)上，MEMS類組件的生產(chǎn)與其它一般芯片有所差異。早期的MEMS產(chǎn)品制造中多采用單晶硅為材料，和比較簡單且穩(wěn)定的體型微加工（Bulk Micro-Machining）技術(shù)，缺點(diǎn)是制造成本較高。目前的制造技術(shù)比較接近集成電路半導(dǎo)體的制程，多采用多晶硅表面微加工（SuRFace Micro-Machining）科技，使成本有效降低，而且加工的精度和分辨率均更加出色。

各廠家的MEMS類元件制程技術(shù)雖然在工藝和加工設(shè)備上較類似，大都采用文中提到的CMOS制程與表面微加工技術(shù)，但為了與自身的生產(chǎn)制造特點(diǎn)相符，制造商往往會(huì)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出其特有的生產(chǎn)加工平臺(tái)及相應(yīng)的流程，以實(shí)現(xiàn)縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低加工成本的目的。

Thelma制程技術(shù)，即厚磊晶層（Thick Epitaxial Layer for Micro-Gyroscopes and Accelerometer）技術(shù)，是ST發(fā)展出的專有表面為加工制程，主要針對(duì)高靈敏度、高探測范圍的加速度傳感器和陀螺儀等MEMS元器件的生產(chǎn)加工。其通過運(yùn)用深度蝕刻技術(shù)及犧牲層（Sacrificial-Layer）等理論，可在微型裝置中加工出能實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)。Thelma制程技術(shù)主要包含六個(gè)主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化

(Patterning)、犧牲層的沉積與表面圖樣化、結(jié)構(gòu)層的磊晶生長、用通道蝕刻將結(jié)構(gòu)層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除，與接觸金屬化沉積。

多晶硅材料具有良好的耐疲勞性及抗沖擊性，且采用CMOS制程除了能帶來較低的成本、更穩(wěn)定的加工流程，芯片與傳感器的功能相獨(dú)立還保證了設(shè)計(jì)上的靈活性。獨(dú)特的Thelma技術(shù)還可提供完整的鑄模封裝，使生產(chǎn)出的元器件具有極可靠的物理性質(zhì)，能制造出最佳的制止器（Stopper），降低電極之間的靜電摩擦等風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)工藝相比較，Thelma技術(shù)可以減少芯片面積，因而克服體型微加工過程中常見的設(shè)計(jì)局限。此外，其會(huì)生長出一塊厚度約15微米（um）的多晶硅磊晶層。該硅結(jié)構(gòu)在增加厚度的同時(shí)也增加了垂直表面積，因而增大平行于基底的靜電啟動(dòng)器的總電容值。

加速度傳感器技術(shù)原理

MEMS換能器（Transducer）可分為傳感器（Sensor）和致動(dòng)器（Actuator）兩類。其中傳感器會(huì)接受外界的傳遞的物理性輸入，通過感測器轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，再最終轉(zhuǎn)換為可用的信息，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等。其主要感應(yīng)方式是對(duì)一些微小的物理量的變化進(jìn)行測量，如電阻值、電容值、應(yīng)力、形變、位移等，再通過電壓信號(hào)來表示這些變化量。致動(dòng)器則接受來自控制器的電子信號(hào)指令，做出其要求的反應(yīng)動(dòng)作，如光敏開關(guān)、MEMS顯示器等。

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3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（Silicon Fingers），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。

如圖結(jié)構(gòu)中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體出現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生加速度時(shí)，其內(nèi)部的電極位置發(fā)生變化，就會(huì)反映到電容值的變化（ΔC），該電容差值會(huì)傳送給一顆接口芯片（InteRFace Chip）并由其輸出電壓值。因此3軸加速度傳感器必然包含一個(gè)單純的機(jī)械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內(nèi)部有成群移動(dòng)的電子，主要測量XY及Z軸的區(qū)域，后者則將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

文中所述的傳感器和ASIC接口芯片兩部分都可以采用CMOS制程來生產(chǎn)，而在目前的實(shí)際生產(chǎn)制造中，由于二者實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的差異，這兩部分大都會(huì)通過不同的加工流程來生產(chǎn)，再最終封裝整合到一起成為系統(tǒng)單封裝芯片（SiP）。封裝形式可采用堆疊（Stacked）或并排（Side-by-Side）。

手持設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是尺寸的小巧。目前ST采用先進(jìn)LGA封裝的加速度傳感器的尺寸僅有3 X 5 X 1mm，十分適合便攜式移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用。但考慮到用戶對(duì)尺寸可能提出的進(jìn)一步需求，加速度傳感器的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其檢測與混合訊號(hào)單元也會(huì)朝向晶圓級(jí)封裝（WLP）發(fā)展。

下一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)是ST關(guān)注的要點(diǎn)。就加速度傳感器的發(fā)展而言，單芯片結(jié)構(gòu)自然是必然的趨勢之一。目前將MEMS傳感器與CMOS接口芯片整合的過程是最耗費(fèi)成本的加工環(huán)節(jié)，如果能實(shí)現(xiàn)單芯片的設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻，封裝與測試的成本必然會(huì)大幅度降低。加速度傳感器選用要點(diǎn)

加速度傳感器針對(duì)不同的應(yīng)用場景，也在特性上體現(xiàn)為不同的規(guī)格。用戶需根據(jù)自身的具體需要選取最適合的產(chǎn)品。如上文提到的汽車車身沖擊傳感器或洗衣機(jī)等家電的振動(dòng)傳感器等來說，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對(duì)于硬盤的跌落和振動(dòng)保護(hù)，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設(shè)備的姿態(tài)識(shí)別和動(dòng)作檢測只需低頻（0~20Hz）產(chǎn)品即可。

線形加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程（Full Scale，F(xiàn)S）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿量程表示傳感器可測量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與ADC等級(jí)有關(guān)，是產(chǎn)生測量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入?yún)?shù)最小增量。

除此之外，加速度傳感器按輸出的不同還可分為模擬式和數(shù)字式兩種。其中模擬式加速度傳感器輸出值為電壓，還需要在系統(tǒng)中添加模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）；數(shù)字式加速度傳感器的接口芯片中已經(jīng)集成了ADC電路，可直接以SPI或I2C等實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸。數(shù)字式產(chǎn)品在成本上也有一定優(yōu)勢，因?yàn)楦哔|(zhì)量ADC通常比較昂貴，價(jià)格甚至可超過傳感器部分的單獨(dú)售價(jià)。結(jié)論

Wii憑借加速度傳感器為市場帶來前所未有的革命性的操控方式。3軸加速度傳感器為消費(fèi)電子類產(chǎn)品，尤其是手持設(shè)備的各方面設(shè)計(jì)都帶來更多的創(chuàng)新性，在短期內(nèi)必然會(huì)獲得市場的成功。而在未來的電子產(chǎn)品中，多傳感器將是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢，其會(huì)讓電子產(chǎn)品在使用上更加人性化；此外，為了縮小產(chǎn)品尺寸和提高產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值，混合式感測器（Hybrid Sensor），如加速度傳感器與陀螺儀的集成，也必然是一個(gè)發(fā)展方向，多功能混合式傳感器必將以其較高的附加價(jià)值和用戶操控體驗(yàn)占領(lǐng)高端市場；同時(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步，單一功能結(jié)構(gòu)的傳感器也將向低端市場推廣和普及。

第四篇：傳感器的應(yīng)用和設(shè)計(jì)

傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王皓 信息114 32311416 摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了傳感與檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴(kuò)大，從人們?nèi)粘Ｉ畹囊率匙⌒械礁鞣N復(fù)雜的工程系統(tǒng)隨處都可以看到傳感與檢測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用

關(guān)鍵詞:傳感器;設(shè)計(jì);應(yīng)用

The design and application of the

transducer

Wanghao Information 114 32311416 Abstract：With the development of science and technology, the development of electronic technology, microelectronics technology in particular, promoted the rapid development of the sensor and detection technology, its application fields are also expanding rapidly, from the daily life of People's Daily life to all kinds of complicated engineering system everywhere can see sensing and detection technology in the practical application of pressure sensor is a industrial practice is most commonly used one kind of sensor, its widely used in various industrial control environment, involved in water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent buildings, production control, aerospace, military industry, petrochemical, oil, electric power, ships, machine tools, pipe, and many other industries, the following is a brief introduction some commonly used sensor principle and its application Key words: Sensor;Design;Application

一、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用

力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。1.1電阻應(yīng)變片的工作原理

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）S——導(dǎo)體的截面積（cm2）L——導(dǎo)體的長度（m）

我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。

二、電阻應(yīng)變式傳感器---稱重傳感器

原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。稱重傳感器可以采用兩種不同的輸入、輸出接線方法：一種是四線制接法，另一種是六線制接法(如圖1所示).四線制接法的稱重傳感器對(duì)二次儀表無特殊要求,使用起來比較方便,但當(dāng)電纜線較長時(shí),容易受環(huán)境溫度波動(dòng)等因素的影響;六線制接法的稱重傳感器要求與之配套使用的二次儀表具備反饋輸入接口,使用范圍有一定的局限性,但不容易受環(huán)境溫度波動(dòng)等因素的影響,在精密測量及長距離測量時(shí)具有一定的優(yōu)勢。

在稱重設(shè)備中，四線的傳感器用的比較多，如果要將六線傳感器接到四線傳感器的設(shè)備上時(shí)，可以把反饋正和激勵(lì)正接到一起，反饋負(fù)和激勵(lì)負(fù)，接到一起。信號(hào)線要注意一點(diǎn)就是，紅色和白色在兩種類型的傳感器上對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)是不一樣的。

三、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度 >2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

四、電容式傳感器---液位傳感器

原理：電容式液位傳感器系統(tǒng);它利用被測體的導(dǎo)電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機(jī)進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示,該系統(tǒng)對(duì)液位深度具有測量、顯示與設(shè)定功能, 并具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

五、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用 工作原理被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號(hào)。

六、電感式傳感器---壓力傳感器

原理：電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力作用于膜片時(shí)，氣隙大小發(fā)生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個(gè)電感的變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的信號(hào)輸出，從而達(dá)到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種:變磁阻和變磁導(dǎo)。電感式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、測量范圍大；缺點(diǎn)就是不能應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)環(huán)境。變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個(gè)磁路。當(dāng)有壓力作用時(shí)，氣隙大小改變，即磁阻發(fā)生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會(huì)隨著氣隙的變化而變化，從而測出壓力。在磁通密度高的場合，鐵磁材料的導(dǎo)磁率不穩(wěn)定，這種情況下可以采用變磁導(dǎo)式壓力傳感器測量。變磁導(dǎo)式壓力傳感器用一個(gè)可移動(dòng)的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導(dǎo)致磁性元件的移動(dòng)，從而磁導(dǎo)率發(fā)生改變，由此得出壓力值。

七、壓電式傳感器---薄膜傳感器

原理：壓電薄膜（PVDF）是一種獨(dú)特的高分子傳感材料，能相對(duì)于壓力或拉伸力的變化輸出電壓信號(hào)，因此是一種理想的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片，可加工成為高效可靠、低成本的振動(dòng)傳感器、加速度計(jì)或動(dòng)態(tài)開關(guān)，也可作為高音頻(>1kHz)至超聲波(可高達(dá)100MHz)的高保真?zhèn)鞲衅鳌?/p>

八、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用

利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計(jì)量特性。藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內(nèi)），因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高。

九、熱電式傳感器---紅外測溫儀

原理：是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的溫度。

十、壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。

壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

十一、光導(dǎo)纖維傳感器---分布式溫度光纖傳感器

原理：單片機(jī)接收（數(shù)據(jù)采集卡ＤＳＰ）的信號(hào)，確認(rèn)需要輸出的載波信號(hào)頻率，然后向直接數(shù)字合成器（ＤＤＳ）發(fā)送指令，直接數(shù)字合成器接收該指令后，輸出對(duì)應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過ＬＤ激光器后得到調(diào)制激光，該激光信號(hào)分為兩路，一路直接輸入雪崩二極管ＡＤＤ２，另一路經(jīng)耦合器后進(jìn)入傳感光纖，即為激光沿測溫光纖向前傳播的通道。同時(shí)耦合器還有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。

十二、激光傳感器原理

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量激發(fā)而躍遷到高能級(jí)E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數(shù)，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí)E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布),就能使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生大的受激輻射光，簡稱激光。激光具有3 個(gè)重要特性。

高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角小），激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米。

高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度

十三、智能傳感器---智能溫度傳感器

原理：各檢測單元能獨(dú)立完成各自功能，并根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，并控制各個(gè)檢測單元進(jìn)行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行整理和顯示。其中包括單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測、報(bào)警電路、鍵盤及顯示、報(bào)警電路等部分。

低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。

下面詳細(xì)介紹下BP01型壓力傳感器及其在便攜式電子血壓計(jì)中的應(yīng)用

概述

BP01型壓力傳感器是為監(jiān)測血壓而專門設(shè)計(jì)的,主要用于便攜式電子血壓計(jì)。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點(diǎn);采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式,從而提高了測量的精度、穩(wěn)定性以及可重復(fù)性,在全量程范圍內(nèi),精度為±1%,零點(diǎn)失調(diào)不大于±300μV。BP01的主要性能參數(shù)

BP01的內(nèi)部等效電路和外形封裝如圖1所示;表1所列為BP01在電源電壓Vs為5.0V、環(huán)境溫度TA為25℃時(shí)的主要性能參數(shù)。

BP01的極限參數(shù)如下： ·最大工作電壓：20VDC;·最大耐壓：1500 mmHg;·工作溫度范圍：0～70℃;·引腳焊接溫度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的電子血壓計(jì)

3.1工作原理

用BP01構(gòu)成的便攜式電子血壓計(jì)的原理電路如圖2所示,它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成,該血壓計(jì)的血壓測量范圍為0～200mmHg,分辨率為0.1mmHg,工作電源為一節(jié)9V迭層電池?，F(xiàn)將血壓計(jì)中各主要電路的工作原理分述如下： a.偏置電源電路

電源電路由帶有內(nèi)置參考電壓的雙運(yùn)放LM10組成,A1構(gòu)成同相放大器,A2構(gòu)成跟隨器,它們的作用是將內(nèi)置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置電壓Vs,其Vs的值由下式?jīng)Q定：Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref為LM10的內(nèi)置參考電壓。其值為200mV,將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

b.前置處理電路

前置處理電路由A3～A6四個(gè)運(yùn)算放大器組成,其中A3構(gòu)成失調(diào)偏置電路以對(duì)電路失調(diào)進(jìn)行補(bǔ)償;A5構(gòu)成跟隨器,用于對(duì)壓力傳感器BP01的輸出信號(hào)進(jìn)行隔離緩沖;A4、A6構(gòu)成放大電路,其增益AV由下式?jīng)Q定： AV=1+（R1/RT）

若忽略失調(diào),前置處理電路的輸出電壓Vout為：Vout=2（1+R1/RT）VIN 式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。c.顯示電路

顯示電路選用三位半的顯示驅(qū)動(dòng)器。工作時(shí),壓力傳感器BP01的輸出經(jīng)前置處理電路放大后,由顯示驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)LCD,以讀出測量的血壓值。3.2調(diào)試方法

a.零壓輸出調(diào)整

在零壓輸出時(shí),調(diào)整失調(diào)電位器RP1,在血壓計(jì)的顯示值為000.0時(shí),即可認(rèn)為完成了零壓輸出調(diào)整。

b.前置電路增益的調(diào)整

壓力傳感器BP01的滿量程輸出與偏置電壓有一定的關(guān)系,當(dāng)5V偏置時(shí),在200mmHg壓力下的輸出為10mV,其對(duì)應(yīng)的顯示驅(qū)動(dòng)電路的輸入為200mV,因此前置電路的增益AV為200mV/10mV,這樣,利用前面Av的計(jì)算公式即可反推出增益電阻RT的值。若選取電阻R1為10kΩ,則增益電阻RT應(yīng)為1.1kΩ。調(diào)試時(shí)可先用電位器調(diào)整輸出值,再用萬用表測出該電位器的阻值,最后再換成固定電阻。

c.滿量程調(diào)整

滿量程調(diào)整時(shí),先在顯示電路的輸入端加上200mV電壓,然后調(diào)整電位器RP2,使其讀數(shù)為199.9mmHg即可。

上調(diào)整完成之后,一般應(yīng)多重復(fù)幾次,以使顯示值可靠地符合精度要求。3.3元器件的選擇

為保證測量精度,上述電路的外圍元器件的選擇也是一個(gè)不容忽視的重要環(huán)節(jié)。一般情況下,電位器RP1、RP2應(yīng)選用1%精度的金屬膜多圈電位器;電阻應(yīng)選用1%精度的金屬膜電阻器;電容一般選用聚脂薄膜或者云母電容。

致謝

傳感器的種類和作用多種多樣，也有不同的形式，上面介紹的只是冰山一角現(xiàn)在的傳感器多的讓人數(shù)不過來，有些看到后還會(huì)讓人大吃一驚，感覺相當(dāng)奇妙，一個(gè)好的傳感器，關(guān)鍵是要有好的電路設(shè)計(jì)和思路，這樣才能設(shè)計(jì)出好的傳感器，才會(huì)有更好的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)

[1] 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.[2] 沈聿農(nóng).傳感器及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.[3] 郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.[4] 周樂挺.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.[5] 王俊峰,孟令啟.現(xiàn)代傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.[6] 楊清梅,孫建民.傳感器與測試技術(shù)[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,2005.[7] 高曉蓉.傳感器技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2003.[8] 武昌俊.自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.[9] 王亞峰,何曉輝.新型傳感器技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京:中國計(jì)量出版社,2009.[10]張子棟,吳雪冰,吳慎山.智能傳感器原理及應(yīng)用.河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,2(36):116~119.[11]明光照,李鷗,張延軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì).通信技術(shù),2009,2(42):233~237.[12]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

第五篇：MEMS加速度傳感器簡介(最終版)

MEMS電容式加速度傳感器

學(xué)校：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）

學(xué)院：信息與電氣工程學(xué)院

專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)

作者：胡詣?wù)?90260207

紀(jì)鵬飛090260208

摘

要

本文從MEMS電容式加速度傳感器的基本原理切入，主要介紹了該類型傳感器的原理和三種主要結(jié)構(gòu)：三明治式、扭擺式、梳齒式及其各自結(jié)構(gòu)方面優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)介紹目前應(yīng)用較為廣泛的集成式的基于電容原理的芯片MMA7455，主要分析了該集成傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。

關(guān)鍵字：MEMS，電容式，加速度傳感器，MMA7455

Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb.Different structures have their own advantages.We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications.Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA745

5一、引言

1.1 MEMS加速度傳感器簡介

MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微機(jī)電機(jī)械傳感器的簡稱，它是一種微米級(jí)的類似集成電路的裝置和工具。MEMS技術(shù)是一項(xiàng)有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)技術(shù)。以半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)電加工工藝設(shè)計(jì)、制造的MEMS傳感器，集成度高，并可與信號(hào)處理電路集成在一起，大大降低了生產(chǎn)成本，已在汽車、消費(fèi)電子和通信電子領(lǐng)域取得極大發(fā)展。

MEMS加速度傳感器按敏感原理的不同可以分為壓電式、壓阻式、電容式、諧振式、熱對(duì)流式等。本文主要介紹MEMS電容加速度傳感器。

二、傳感器工作原理與常見結(jié)構(gòu)

2.1 MEMS電容式加速度傳感器工作原理

電容式微加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)是質(zhì)量塊與固定電極構(gòu)成的電容。當(dāng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生位移時(shí)改變電容的重疊面積或間距。檢測到的電容信號(hào)經(jīng)過前置放大、信號(hào)調(diào)理后，以直流電壓方式輸出，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測。

如圖1所示，電容式加速度傳感器由兩塊固定電極夾著一塊活動(dòng)電極。在靜止的情況下，活動(dòng)電極與兩塊固定電極的距離均為d0形成兩個(gè)大小為C0的串聯(lián)的電容。

當(dāng)加速度傳感器檢測加速度時(shí)，活動(dòng)電極受加速度力產(chǎn)生位移，兩個(gè)電容的d發(fā)生變化。根據(jù)平行板電容的計(jì)算公式：

??SC?r0d

可知兩個(gè)電容的大小將發(fā)生變化。由于此時(shí)電容值和極板間隙不是線性關(guān)系，常常采用差動(dòng)電容檢測方式以解決線性問題：

?C?

?r?0Sd0??d??r?0Sd0??d?2?r?0S?d2d0

上式在?d??d時(shí)成立。

圖2-1 MEMS電容式加速度傳感器工作示意圖

2.2 MEMS電容加速度傳感器的常見結(jié)構(gòu)

2.2.1三明治式

所謂“三明治”結(jié)構(gòu)，就是指檢測質(zhì)量夾在兩塊玻璃片之間的結(jié)構(gòu)形式，如圖3-1所示。固定電極分布在活動(dòng)電極兩邊，敏感質(zhì)量塊的上下兩面均作為動(dòng)極板。當(dāng)有加速度作用時(shí)，敏感質(zhì)量塊發(fā)生擺動(dòng)，一對(duì)電容極板間的間距變大，而另一對(duì)電容極板閉的問距變小，從而形成差動(dòng)檢測電容。這種結(jié)構(gòu)需要雙面光刻，加工工藝設(shè)備較多．器件加工制造難度較大：井因?yàn)閼冶壑瘟核艹惺艿膽?yīng)力有限，這種傳感器所能測量的最大加速度值較小。

圖2-2三明治式電容加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 扭擺式

扭擺式是基于三明治式，扭擺式微加速度計(jì)的兩個(gè)固定電容極板設(shè)計(jì)在活動(dòng)極板的同一側(cè)形成的。由圖3—2扭擺式微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)可以看出，位于支承彈性粱兩邊的敏感質(zhì)量和慣性矩不相等，當(dāng)有垂直于基片的外界加速度作用時(shí)，敏感質(zhì)量片將圍繞支承彈性粱扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)電容大小發(fā)生變化，一對(duì)結(jié)構(gòu)電容增大，一對(duì)結(jié)構(gòu)電容減?。畯亩纬山Y(jié)構(gòu)差動(dòng)電容，測量此差動(dòng)電容值即可得到外界輸入的加速度載荷大小。這種傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要雙面光刻．且能進(jìn)行較大加速度值的測量。

圖2-3 扭擺式電容加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-4 蹺蹺板式扭擺式電容加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3疏齒式

梳齒式電容加速度計(jì)利用若干對(duì)梳齒形狀的電極形成檢測電容和加力電容，它的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)就是利用增加電極數(shù)的方式來增大檢測電容。梳齒有定齒和動(dòng)齒兩種，定齒固定在基片上，動(dòng)齒則附著在檢測質(zhì)量上。檢測質(zhì)量由彈簧支撐于基片上。當(dāng)有外部加速度輸入時(shí)，動(dòng)齒隨同檢測質(zhì)量一起運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生微位移，引起動(dòng)齒與定齒之間電容的變化，電容的變化量可以通過檢測電路檢測出來，進(jìn)而檢測出微位移和輸入加速度的值。其鍵臺(tái)強(qiáng)度高、面積大、難度低，鍵臺(tái)接觸電阻小、均勻且成品率高，提高了加速度計(jì)的分辨率和精度。但是結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，加工起來難度較大。

圖2-5 疏齒式電容加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

三、MMA7455三軸加速度傳感器

3.1 MMA7455內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MEMS加速度傳感器主要有兩部分：微電子技術(shù)加工的電容性機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System）和帶有閉環(huán)反饋的信號(hào)轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)ASIC（Application System Integrated Circuit）。MMA7455內(nèi)部由三軸加速度傳感器、多路開關(guān)、C—V轉(zhuǎn)換器、放大電路、AD轉(zhuǎn)換、以及控制電路與輸出

驅(qū)動(dòng)電路，如圖3-1所示。

圖3-1 MMA7455內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.2 MMA7455應(yīng)用

3.2.1 MMA7455加速度測量

MMA7455可以設(shè)置三種模式2g、4g和8g，不同模式下測量精度不同輸出也不同。根據(jù)三軸檢測數(shù)據(jù)的輸出與芯片工作模式可以計(jì)算出不同軸方向加速度分量大小，最后求出加速度方向與大小。圖3-2為2g模式下芯片不同放置X、Y、Z的輸出。

圖3-2

由圖可以看出芯片縱向?yàn)閄軸方向，橫向?yàn)閅軸方向，垂直方向?yàn)閆軸。對(duì)于傳感器模式的選擇及g值的選擇強(qiáng)調(diào)不同的應(yīng)用環(huán)境。一般來說1.5g適合自由落體與精確的傾斜補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，2g適合手持運(yùn)動(dòng)檢測與游戲控制器，4g適合低振動(dòng)監(jiān)控、運(yùn)輸與處理，8g適合高震動(dòng)監(jiān)控與較高震動(dòng)的讀取。合適選取模式可以獲得較高的精確度。

3.2.2 MMA7455傾角測量

加速度傳感器可以用于多種場合的檢測與監(jiān)控，如傾斜度的偵測、運(yùn)動(dòng)檢測、定位偵測、震動(dòng)偵測、振動(dòng)偵測以及自由落體等。利用三軸加速度傳感器計(jì)算單軸傾角。圖3-3是傾角測量圖解。這時(shí)加速度輸出與傾角的關(guān)系

所以γ可以用反正切方程求的

圖3-3傾角測量圖解

四 總結(jié)

本文介紹了電容式微機(jī)械加速度傳感器工作原理，結(jié)構(gòu)組成以及飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MMA7455三軸加速度傳感器芯片內(nèi)部組成、測量應(yīng)用等。電容式加速度微傳感器具有靈敏度高、直流響應(yīng)和噪聲特性好、溫漂低、低溫靈敏度好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉曉寧《半導(dǎo)體傳感器》 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）2011

[2] 孫以材編著 《微電子機(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》 冶金工業(yè)出版社 2009 [3] Sadra/Smith 《Microelectronics Circuits》電子工業(yè)出版社2006

[4] 王巍等 基于微機(jī)械傳感器的傾角傳感器 2010

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