第一篇：三軸加速度傳感器的步態(tài)識別系統(tǒng)==

三軸加速度傳感器的步態(tài)識別系統(tǒng)

近年來隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，加速度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域并擁有良好的發(fā)展前景。例如在智能家居、手勢識別、步態(tài)識別、跌倒檢測等領(lǐng)域，都可以通過加速度傳感器實時獲得行為數(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，用智能手機采集用戶數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理及特征提取獲得特征矩陣并分類識別的方法，有效地識別了站立、走、跑、跳四種動作。

人體動作識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)用戶運動時，三軸加速度傳感器會將據(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采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，將結(jié)果輸出，顯示用戶的實時狀態(tài)。

本文使用的加速度傳感器數(shù)據(jù)來自于共計６０個樣本。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)置的采集時間間隔為０．１ｓ，對每一個動作的采集時間為２５ｓ?？紤]到用戶在采集數(shù)據(jù)一開始與將要結(jié)束時的動作不平穩(wěn)可能對數(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進行特征提取前對其進行去躁、歸一化、加窗等預(yù)處理。通過加窗處理，不僅規(guī)整了加速度信號的長度，而且方便研究人員按照需要選擇適宜的信號長度，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由于采集者的動作力度不同造成加速度信號的幅度差異較大，這會對之后的分類識別造成負(fù)面影響，歸一化技術(shù)可以調(diào)整加速度信號的幅度，按照一定的歸一化算法可以使加速度信號的幅度限定在某一數(shù)值范圍內(nèi)，文獻[２]在識別跑、站立、跳和走路這四種動作時對四種動作的加速度信號進行了歸一化；文獻[３]在進行手勢識別時對手勢動作的加速度信號進行了歸一化處理。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，是人體行為識別過程中的一個重要環(huán)節(jié)，直接影響分類識別的效果。特征的提取方法具有多樣性，對于不同的識別目的，研究人員會提取不同的特征，例如為了識別分類站立和跑步，研究人員通常會選取方差和標(biāo)準(zhǔn)差這類能夠反映加速度信號變化大小的特征，而為了識別分類走路和跑步，研究人員通常會選取能量和均值這類能夠反映加速度信號大小的特征。使用不同的特征表征行為會對分類識別效果產(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)注的一個課題。通過查閱大量的文獻，大致可以把加速度信號的特征概括為時域特征、頻域特征和時頻特征這三類本文選取了加速度的閾值作為識別不同動作的主要特征。每個加速度包含了軸的加速度信號，分別代表了前后、左右、上下這三位的加速度信號。我們都知道，人體日常行為的不同動作的劇烈程度是不相同的，動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別不同動作的主要特征。種動作數(shù)據(jù)的其中一個窗格，每個窗格時間跨度為３ｓ。由圖個軸的加速度大小都不一樣，而每個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，則不用考慮個軸加速度的分量大小與方向，又可以使各個動作的幅值差異基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究（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作識別方法，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取多種統(tǒng)計特征包括標(biāo)準(zhǔn)差、閾值、偏度、峰度等進行分類識別。能夠有效地識別站立、行走、跑、跳這四種人體基本日常行為動作。

關(guān)鍵詞：人體動作識別，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年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究資助（１４２７８１５０３７）加速度信號的加窗３１基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究（上接第３０參考文獻〔１〕張鐸．自動識別技術(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：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識別分類每個合加速度值以１ｇ作歸一化處理后，合加速度都是９．８的相對值，沒有了量綱。各動作的的閾值設(shè)定如圖可以清楚地看出，站立動作的閾值都低于１．２，走的動作閾值則介乎１．２１．９之間，跑的動作閾值介乎１．９２．６之間，跳的閾值則是高于２．６?；谶@種動作的閾值差異與設(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)的時間跨度設(shè)定為一個窗格（即３ｓ）。支持向量機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)擬合等其它機器學(xué)習(xí)問題中。它是建立在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的ＶＣ維理論和結(jié)構(gòu)分險最小原理基礎(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。支持向量機對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樣本的非線性特征進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作識別研究方法，通過對數(shù)據(jù)進行歸一化、加窗等預(yù)處理，提取合加速度的閾值特征，利用支持向量機進行分類識別，有效地識別了站種動作，平均識別率能達到９５％，證明了此方法的有效性。本文未來的研究工作還可以對數(shù)據(jù)的預(yù)處理進行優(yōu)化，引用更多更全面的方法對數(shù)據(jù)去躁；此外，本文對數(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)計更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ǎ浞挚紤]算法的實時性與準(zhǔn)確性，提高對各種動作的識別分類。參考文獻〔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別〔Ｊ〕．計算機工程，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〔Ｊ〕．西安郵電大學(xué)學(xué)報，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別方法〔Ｊ〕．計算機系統(tǒng)應(yīng)用，２０１３，２２（６）：１３２－１３５〔７〕衡霞，王忠民．基于手機加速度傳感器的人體行為識別〔Ｊ〕．西安郵電大學(xué)學(xué)報，２０１４．０６．０１５〔收稿日期：２０１５．８．４〕

第二篇：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類產(chǎn)品的成功和熱銷，業(yè)界普遍預(yù)測微機電系統(tǒng)（MEMS，Micro Electro-Mechanical System）類產(chǎn)品將成為半導(dǎo)體行業(yè)的下一個高速增長點。MEMS帶來的的操作、功耗，和尺寸上的革命性變革是其成功進入消費類電子市場的關(guān)鍵。其使更具創(chuàng)新性的電子產(chǎn)品設(shè)計成為可能，而且能給用戶帶來全新的使用體驗。

以上提到的產(chǎn)品中都應(yīng)用了加速度傳感器作為動作操控和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)用戶的動作而相應(yīng)地對菜單進行操作，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。較低的成本在以價格為主導(dǎo)的消費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

加速度傳感器在進入消費電子市場之前，實際上已被廣泛應(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)對傳感器的要求也越來越嚴(yán)格。整個氣囊控制系統(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，沖擊傳感器會在幾微秒內(nèi)將信號發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會立即根據(jù)碰撞的強度、乘客數(shù)量及座椅/安全帶的位置等參數(shù)，配合分布在整個車廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進行計算和做出相應(yīng)評估，并在最短的時間內(nèi)通過電爆驅(qū)動器（Squib Driver）啟動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，其主要利于GPS衛(wèi)星信號實現(xiàn)定位。而當(dāng)PND進入衛(wèi)星信號接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會因失去信號而喪失導(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GPS系統(tǒng)實現(xiàn)互補性應(yīng)用。

硬盤抗沖擊防護

目前由于海量數(shù)據(jù)對存儲方面的需求，硬盤和光驅(qū)等元器件被廣泛應(yīng)用到筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機/攝相機、便攜式DVD機、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)常會意外跌落或受到碰撞，而造成對內(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)地面時會受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設(shè)計可由設(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，系統(tǒng)會檢測到加速的突然變化，并執(zhí)行相應(yīng)的自我保護操作，如關(guān)閉抗震性能差的電子或機械器件，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)消費及手持電子設(shè)備實現(xiàn)了革命性的創(chuàng)新空間。其可被安裝在游戲機手柄上，作為用戶動作采集器來感知其手臂前后、左右，和上下等的移動動作，并在游戲中轉(zhuǎn)化為虛擬的場景動作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚竿等，把過去單純的手指運動變成真正的肢體和身體的運動,實現(xiàn)比以往按鍵操作所不能實現(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步器，為電子羅盤（3D Compass）提供補償功能，也可用于數(shù)碼相機的防抖。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)計中必不可少的元件。

1．姿態(tài)與動作識別

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作操控外，還能用于手持設(shè)備的姿態(tài)識別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設(shè)備可實現(xiàn)畫面自動轉(zhuǎn)向。iPod Touch就內(nèi)建了此功能，設(shè)備顯示的畫面和信息會根據(jù)用戶的動作而自動旋轉(zhuǎn)。其通過內(nèi)部傳感器對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)，并自動調(diào)整顯示狀態(tài)，給用戶帶來方便。

傳感器對震動的感知性能也可將以前傳統(tǒng)的按鍵動作變化為震動，用戶可通過單次或多次震動來進行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴展至對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．趣味性擴展功能

3軸加速度傳感器對用戶操控動作的轉(zhuǎn)變還可轉(zhuǎn)化為許多趣味性的擴展功能上，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手持設(shè)備的揮動來控制樂器的節(jié)奏和音量等；骰子游戲也采用類似的原理，通過

對揮動等動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間。

“閃訊”是一個更富有想象力的應(yīng)用，用戶可利用此功能在空中進行文字編輯?！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作，主要適合較暗的環(huán)境下使用。手持設(shè)備上會安裝發(fā)光的LED，由于人眼視網(wǎng)膜的視覺暫留現(xiàn)象，其在空中揮動的動作會在其眼中留下短暫的連續(xù)畫面，完成寫字的所有動作筆順。

3．功耗控制

功耗一直是便攜設(shè)備設(shè)計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)備的使用狀況來對其用電模式加以控制，從而有效延長電池的使用時間。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)品在消費電子產(chǎn)品市場成功的關(guān)鍵之一。目前，為了達到產(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，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)濟中受惠，還能讓MEMS元器件隨光照制程的微型化先進制程不斷演進和發(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)制造特點相符，制造商往往會根據(jù)自己的經(jīng)驗開發(fā)出其特有的生產(chǎn)加工平臺及相應(yīng)的流程，以實現(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現(xiàn)各種動作的精密機械機構(gòu)。Thelma制程技術(shù)主要包含六個主要步驟：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立還保證了設(shè)計上的靈活性。獨特的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。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)計局限。此外，其會生長出一塊厚度約15微米（um）的多晶硅磊晶層。該硅結(jié)構(gòu)在增加厚度的同時也增加了垂直表面積，因而增大平行于基底的靜電啟動器的總電容值。

加速度傳感器技術(shù)原理

MEMS換能器（Transducer）可分為傳感器（Sensor）和致動器（Actuator）兩類。其中傳感器會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，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)方式是對一些微小的物理量的變化進行測量，如電阻值、電容值、應(yīng)力、形變、位移等，再通過電壓信號來表示這些變化量。致動器則接受來自控制器的電子信號指令，做出其要求的反應(yīng)動作，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。以電容式3軸加速度計的技術(shù)原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。其主要為利用硅的機械性質(zhì)設(shè)計出的可移動機構(gòu)，機構(gòu)中主要包括兩組硅梳齒（Silicon Fingers），一組固定，另一組隨即運動物體移動；前者相當(dāng)于固定的電極，后者的功能則是可移動電極。當(dāng)可移動的梳齒產(chǎn)生了位移，就會隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。

如圖結(jié)構(gòu)中，當(dāng)運動物體出現(xiàn)變速運動而產(chǎn)生加速度時，其內(nèi)部的電極位置發(fā)生變化，就會反映到電容值的變化（ΔC），該電容差值會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單純的機械性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)，而在目前的實際生產(chǎn)制造中，由于二者實現(xiàn)技術(shù)上的差異，這兩部分大都會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)計的關(guān)鍵之一是尺寸的小巧。目前ST采用先進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設(shè)備的應(yīng)用。但考慮到用戶對尺寸可能提出的進一步需求，加速度傳感器的設(shè)計要實現(xiàn)更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其檢測與混合訊號單元也會朝向晶圓級封裝（WLP）發(fā)展。

下一代產(chǎn)品的設(shè)計永遠是ST關(guān)注的要點。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成本的加工環(huán)節(jié)，如果能實現(xiàn)單芯片的設(shè)計，其優(yōu)點不言而喻，封裝與測試的成本必然會大幅度降低。加速度傳感器選用要點

加速度傳感器針對不同的應(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等家電的振動傳感器等來說，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對于硬盤的跌落和振動保護，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)識別和動作檢測只需低頻（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，因為高質(zhì)量ADC通常比較昂貴，價格甚至可超過傳感器部分的單獨售價。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電子類產(chǎn)品，尤其是手持設(shè)備的各方面設(shè)計都帶來更多的創(chuàng)新性，在短期內(nèi)必然會獲得市場的成功。而在未來的電子產(chǎn)品中，多傳感器將是一個重要的發(fā)展趨勢，其會讓電子產(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，也必然是一個發(fā)展方向，多功能混合式傳感器必將以其較高的附加價值和用戶操控體驗占領(lǐng)高端市場；同時隨著技術(shù)的進步，單一功能結(jié)構(gòu)的傳感器也將向低端市場推廣和普及。

第三篇：雙軸加速度傳感器ADXL202及其應(yīng)用設(shè)計

雙軸加速度傳感器ADXL202及其應(yīng)用設(shè)計

2009年03月29日 15:08 不詳 作者：北京交通大學(xué) 翟飛 用戶評論（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，可以直接與單片機或計數(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、通信網(wǎng)關(guān)等領(lǐng)域。本文使用LPC2103實現(xiàn)對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控制電路，以實現(xiàn)開環(huán)加速度測量結(jié)構(gòu)。與其他加速度計相比，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，輸出占空比為10%的波形，說明芯片正常工作。

COM： 引腳4、7。使用時需將2個COM端接在一起并接地。

T2： 經(jīng)電阻RSET接地，調(diào)節(jié)輸出信號周期。輸出信號周期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輸出接口。X、Y方向傳感器是2個相互正交的加速度傳感器，它們同時工作，可以測量動態(tài)變化的加速度和恒定的加速度。傳感器之后級連相位檢波器，主要是用來修正信號，并對信號的方向做出判斷。檢波器輸出的信號，通過一個32 kΩ 的電阻來驅(qū)動占空比調(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)的計算及處理

(1)信號帶寬的計算通

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)加速度的計算

輸出信號周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如圖3所示。

圖3 占空比信號

信號通過低通濾波器之后，占空比調(diào)制器把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。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。輸出的占空比信號通過計數(shù)器可以計算出占空比。加速度的計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，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）相同，輸出信號的占空比為50％；當(dāng)加速度為1g時，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）的比值為5∶3，輸出信號的占空比為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。在進行傾斜度測量時，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，物體傾斜對于加速度數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計。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，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，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 2.1 硬件接口設(shè)計

LPC2103是一個支持實時仿真和跟蹤的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32位定時器、8路10位ADC、2個外部中斷、最多可達32個GPIO。通過可編程的片內(nèi)PLL（可能的輸入頻率范圍：10～25 MHz）可實現(xiàn)最高70 MHz 的CPU 時鐘頻率。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，無論采用什么方式進行數(shù)據(jù)接收，都需要定時器/計數(shù)器工作，對DCM信號進行計時處理。因此，程序首先要對定時器進行初始化。然后分別對DCM信號的高電平和低電平持續(xù)時間進行計時，得到T1、T2的值，再進行加速度計算。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;//取此時計數(shù)器的值 T1TC=0x00;//復(fù)位計數(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/計數(shù)器T1 a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//計算加速度

普通GPIO口方式的程序比較簡單，雖然程序的執(zhí)行需要時間，但由于LPC2103的主頻可以達到40 MHz，執(zhí)行幾條指令只需幾微秒，所以產(chǎn)生的誤差會很小。但普通GPIO方式程序執(zhí)行時，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，可以實現(xiàn)定時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;//定時器0中斷為最高優(yōu)先級

VICIntEnable=0x0010;//使能定時器0中斷定時器0初始化 T0PR=0;//預(yù)分頻為0，使T0TC即為pclk的個數(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 }

中斷處理程序運行之后，得到的信號周期應(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，并且占用了一個中斷向量通道。結(jié)語

ADXL202傳感器的應(yīng)用方法經(jīng)過驗證完全可行，并且能夠達到較高的測量精度。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、功耗低等特點使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。

參考文獻

[1] 周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實戰(zhàn) [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社 ,2003.[2] ADI.Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.

第四篇：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。同時介紹目前應(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)是微機電機械傳感器的簡稱，它是一種微米級的類似集成電路的裝置和工具。MEMS技術(shù)是一項有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)技術(shù)。以半導(dǎo)體技術(shù)和微機電加工工藝設(shè)計、制造的MEMS傳感器，集成度高，并可與信號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)生位移時改變電容的重疊面積或間距。檢測到的電容信號經(jīng)過前置放大、信號調(diào)理后，以直流電壓方式輸出，從而間接實現(xiàn)對加速度的檢測。

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電極。在靜止的情況下，活動電極與兩塊固定電極的距離均為d0形成兩個大小為C0的串聯(lián)的電容。

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

??SC?r0d

可知兩個電容的大小將發(fā)生變化。由于此時電容值和極板間隙不是線性關(guān)系，常常采用差動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電極兩邊，敏感質(zhì)量塊的上下兩面均作為動極板。當(dāng)有加速度作用時，敏感質(zhì)量塊發(fā)生擺動，一對電容極板間的間距變大，而另一對電容極板閉的問距變小，從而形成差動檢測電容。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：井因為懸臂支撐梁所能承受的應(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，扭擺式微加速度計的兩個固定電容極板設(shè)計在活動極板的同一側(cè)形成的。由圖3—2扭擺式微加速度計的結(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，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，一對結(jié)構(gòu)電容增大，一對結(jié)構(gòu)電容減?。畯亩纬山Y(jié)構(gòu)差動電容，測量此差動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．且能進行較大加速度值的測量。

圖2-3 扭擺式電容加速度計結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-4 蹺蹺板式扭擺式電容加速度計結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3疏齒式

梳齒式電容加速度計利用若干對梳齒形狀的電極形成檢測電容和加力電容，它的一個明顯優(yōu)點就是利用增加電極數(shù)的方式來增大檢測電容。梳齒有定齒和動齒兩種，定齒固定在基片上，動齒則附著在檢測質(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，動齒隨同檢測質(zhì)量一起運動，并產(chǎn)生微位移，引起動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，進而檢測出微位移和輸入加速度的值。其鍵臺強度高、面積大、難度低，鍵臺接觸電阻小、均勻且成品率高，提高了加速度計的分辨率和精度。但是結(jié)構(gòu)相對比較復(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)加工的電容性機械系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System）和帶有閉環(huán)反饋的信號轉(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為X軸方向，橫向為Y軸方向，垂直方向為Z軸。對于傳感器模式的選擇及g值的選擇強調(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償?shù)膽?yīng)用，2g適合手持運動檢測與游戲控制器，4g適合低振動監(jiān)控、運輸與處理，8g適合高震動監(jiān)控與較高震動的讀取。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、運動檢測、定位偵測、震動偵測、振動偵測以及自由落體等。利用三軸加速度傳感器計算單軸傾角。圖3-3是傾角測量圖解。這時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。

參 考 文 獻

[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 基于微機械傳感器的傾角傳感器 2010

[5] Freescale Semiconductor, Inc.MMA7455 Device User Guide.

第五篇：三軸實驗報告

三軸試驗報告 課

程

高等土力學(xué)

授課老師

冷伍明等

指導(dǎo)老師

彭老師

學(xué)生姓名

劉

瑋

學(xué)

號

114811134

專

業(yè)

隧道工程

目錄 1、試驗?zāi)康?...............................................................1、儀器設(shè)備................................................................1、試樣制備步驟........................................................1、試樣得安裝與固結(jié)................................................2、數(shù)據(jù)處理(鄧肯 — 張模型 8 大參數(shù)得確定)..........2、注意事項................................................................9、總結(jié)........................................................................9、試驗 目得(1）、三軸壓縮試驗室測定圖得抗剪強度得一種方法,它通過用 3～4 個圓柱形試樣，分別在不同得恒定周圍壓力下，施加軸向壓力,進行剪切直至破壞;然后根據(jù)摩爾-強度理論，求得土得抗剪強度參數(shù);同時還可求出鄧肯-張模型得其它 6 個參數(shù)。

(2）、本試驗分為不固結(jié)不排水剪();固結(jié)不排水剪(或）與固結(jié)排水剪()等 3種試驗類型。本次試驗采用得就是固結(jié)排水剪（）。、儀器設(shè)備 本次實驗采用全自動應(yīng)變控制式三軸儀:有反壓力控制系統(tǒng),周圍壓力控制系統(tǒng)，壓力室,孔隙壓力測量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),試驗機等。、試樣制備 步驟（1）、本次試驗所用土屬于粉粘土，采用擊實法對擾動土進行試樣制備,試樣直徑 39.1mm，試樣高度 80mm.選取一定數(shù)量得代表性土樣，經(jīng)碾碎、過篩，測定風(fēng)干含水率，按要求得含水率算出所需加水量。

（2）、將需加得水量噴灑到土料上拌勻，稍靜置后裝入塑料袋，然后置于密閉容器內(nèi) 24 小時,使含水率均勻。取出土料復(fù)測其含水率。

（3）、擊樣筒得內(nèi)徑應(yīng)與試樣直徑相同。擊錘得直徑宜小雨試樣直徑,也允許采用與試樣直徑相同得擊錘。擊樣筒在使用前應(yīng)洗擦干凈。

(4)、根據(jù)要求得干密度，稱取所需土質(zhì)量。按試樣高度分層擊實,本次試驗為粉粘土，分 5 層擊實.各層土料質(zhì)量相等.每層擊實至要求高度后,將表面刨毛，然后再加第 2 層土料。如此繼續(xù)進行,直至擊完最后一層，并將擊樣筒中得試樣取出放入飽與器中。

表 表 1

含水率記錄表 盒號 盒重(g）

盒加濕土重(g）

盒加干土重（g）

含水率 含水率均值 6b0084 10、52 23、15 21、45 15、5％ 15、75% 6b0503 10、51 23、74 21、91 16、0％ 試驗要求干密度為 1.7g/cm 3，飽與器容積為 96cm 3，所以所需濕土質(zhì)量為:(g)分 5 層擊實,則每層質(zhì)量為 37。76g。

(5）、試樣飽與:采用抽氣飽與，將裝有試樣得飽與器置于無水得抽氣缸內(nèi),進行抽氣,當(dāng)真空度接近當(dāng)?shù)?1 個大氣壓后,應(yīng)繼續(xù)抽氣 1 個小時。抽氣完成后徐徐注入清水，并保持真空度穩(wěn)定。待飽與器完全被水淹沒即停止抽氣,并釋放抽

氣缸得真空。、試樣得安裝與固結(jié)(1）、開孔隙壓力閥及量管閥,使壓力室底座充水排氣，并關(guān)閥。將透水板滑入壓力室底座上。然后放上濾紙與試樣，試樣上端亦放一濕濾紙及透水板,并在試樣周圍貼上 6 條浸濕得濾紙條，濾紙條上端與透水石相連接.（2)、將橡皮膜套在承膜筒內(nèi)，兩端翻出筒外，從吸氣孔吸氣，使膜緊貼承膜筒內(nèi)壁，然后套在試樣外,放氣翻起橡皮膜得兩端,取出承膜筒。用橡皮圈將橡皮膜下端扎緊在壓力室底座上。

（3）、用軟刷子自下向上輕輕按撫試樣，以排除試樣與橡皮膜之間得氣泡。可開啟空隙壓力閥及量管閥，使水徐徐流入試樣與橡皮膜之間,以排除夾氣,然后關(guān)閉。

（4）、開排水管閥,使水從試樣帽徐徐流出以排除管路中得氣泡，并將試樣帽置于試樣頂端。排除頂端氣泡,將橡皮膜扎緊在試樣帽上。

（5）、裝上壓力室罩，開排氣孔，向壓力水充水,水從排氣孔溢出時,立刻停止注水，并關(guān)閉排氣孔。

（6)、關(guān)體變管閥及孔隙壓力閥,開周圍壓力閥,施加所需得周圍壓力.周圍壓力大小應(yīng)與工程實際荷載相適應(yīng)，并盡可能使最大周圍壓力與土體得最大實際荷載大致相等。也可按 100、200、300、400kPa 施加。

（7)、打開主機與電腦，通過主機給調(diào)壓筒與反壓力調(diào)壓筒充水，一般反壓力調(diào)壓筒調(diào)到 30000-40000 便可。圍壓調(diào)壓筒可注水到 60000。

（8)、在打開土工試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選擇好試驗參數(shù)，然后點擊開始試驗，試驗則進入飽與度判斷狀態(tài),當(dāng)飽與度達 95%以上時自動進入固結(jié)狀態(tài)，當(dāng)試樣固結(jié)度達 95%時自動再進入剪切狀態(tài)。

（9)、剪切出現(xiàn)峰值后，或達到相應(yīng)得應(yīng)變,試驗便自動結(jié)束。卸除壓力，在進行下一圍壓下得試驗.5、數(shù)據(jù)處理（鄧肯 — 張 模型 8 大參數(shù)得確定）

(1）、切線模量得鄧肯－張計算公式:

(1)式中

-—切線彈性模量，kPa;

—-周圍壓力,kPa；

-—大氣壓力,kPa;

——破壞比，數(shù)值小于 1;

-—土得內(nèi)摩擦角，(°)

——土得粘聚力，kPa;

——試驗常數(shù)。

(2）、切線泊松比按下列兩式計算:

（2）

(3）

式中

——試驗常數(shù).公式(1),（2)，（3)中包含 8 個試驗常數(shù)：、、、、、、、,這就就是鄧肯-張模型得 8大參數(shù)。

(3）、求得試驗常數(shù)得得方法。

①、值得求得 繪制出不同圍壓下得摩爾應(yīng)力圓,則、值可由圖 1 中得截距與斜率求得。

圖 圖 1

固結(jié)排水剪強度包線 由于本次試驗采用得就是全自動得土工試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，已不需人工讀入與處理數(shù)據(jù) ,TgWin 系統(tǒng)自動計算出=18、7，=31、9。

②求得：

鄧肯—張雙曲線模型得本質(zhì)在于假定土得應(yīng)力應(yīng)變之間得關(guān)系具有雙曲線性質(zhì)，見圖 2。

圖 圖 2

雙曲線應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 雙曲線關(guān)系式：

（4)變換縱坐標(biāo)關(guān)系式:

(5）

式中

—-初始切線模量得倒數(shù)；

—-主應(yīng)力差漸近值得倒數(shù)。

變換坐標(biāo)得雙曲線見圖 3。

圖 圖 3

變換坐標(biāo)得雙曲線 由與即可求得初始切線模量與主應(yīng)力差得漸近值。

按下式計算破壞比:

（6）

式中

——主應(yīng)力差得破壞值，kPa;

-—主應(yīng)力差得漸近值，kPa。

由 TgWin 系統(tǒng)自動繪制得變換坐標(biāo)得雙曲線見圖 4:

圖 圖 4

變換坐標(biāo)得雙曲線 TgWin 系統(tǒng)自動計 算出=0、755。

③、得求得 初始切線模量與固結(jié)壓力有以下關(guān)系：

（7)式中

——大氣壓力,kPa。、由曲線確定（見圖 5)。

lgEi/Palg

/Pan1lgk3 圖 圖 5

關(guān)系曲線 由 TgWin 系統(tǒng)自動繪制得關(guān)系曲線如下：

圖 圖 6

關(guān)系曲線 由上圖易知，=202、7,=0、114。

④得求得 假定軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變成雙曲線關(guān)系（見圖 7)即：

（8）

變換縱坐標(biāo),如圖 8:

（9）

式中

——初始切線泊松比;

—-軸向應(yīng)變漸近值得倒數(shù)。

圖 圖 7

雙曲線主應(yīng)變關(guān)系

圖 圖 8

變換縱坐標(biāo)得雙曲線 從上圖中可求得、值。

由 TgWin 系統(tǒng)自動繪制得變換縱坐標(biāo)得雙曲線見圖 9:

圖 圖 9

變換縱坐標(biāo)得雙曲線 TgWin 系統(tǒng)計算得 D=0、000。

⑤、得求得 繪制與關(guān)系曲線(見圖 10）：

（10）

式中

——不同作用下得初始孔隙比；、由關(guān)系曲線求得。

圖 圖 10

關(guān)系曲線 而由 TgWin 系統(tǒng)自動繪制得關(guān)系曲線見圖 11:

圖 圖 11

關(guān)系曲線 TgWin 系統(tǒng)處理得 G=0、500，F(xiàn)=0、000。通過上面得 5 個步驟就可求得鄧肯—張模型得 8 大參數(shù)。

(4)本次試驗所求得得 8 大參數(shù)值列表如表 2: 表 表 2

鄧肯 — 張模型得 8 大參數(shù)18、67kPa 31、95° 0、755 202、7 0、114 0、000 0、500 0、000 6、注意事項(1)為了圖樣均勻，方便制樣,配好了含水率得土一定還要再過一次孔徑 2mm得篩,并測含水率;

（2）制樣時，每層擊實后一定要將表面刨毛,這樣有利于土樣得整體完整，在試驗過程中也可減少出現(xiàn)斷樣得情況;(3）每個土樣制好后一定要脫模，然后裝入另一個飽與器;（4)抽氣飽與時，時間要足夠，且蒸餾水一定要淹沒飽與器,否則可能會出現(xiàn)土樣達不到飽與度得要求;(5)拆樣時，要注意飽與器得三片鐵片只能上下移動,不能垂直于土樣軸線前后移動；(6）裝樣時,排氣要充分且不能讓土樣斷裂,同時要注意各個閥門得開閉狀態(tài)就是否正確,否則很可能照成孔隙壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線不正確.（7）試驗完成后，要注意還原實驗室得清潔衛(wèi)生，以方便后面得同學(xué)進行試驗，完成好后期工作,并整理試驗報告.7、總結(jié) 在整個實驗過程中,彭老師給予我們細(xì)致而耐心得指導(dǎo)。每一個實驗步驟都詳細(xì)指導(dǎo),親自示范,讓每個學(xué)生都能夠自己動手,非常感謝彭老師！彭老師為人隨與熱情，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心。通過本次試驗，我不但熟悉了三軸試驗得試驗過程，也對鄧肯—模型得 8 大參數(shù)也有了進一步得認(rèn)識,相信通過本次試驗，對我們今后得學(xué)習(xí)、工作都會有所幫助。