三軸加速度傳感器是加速度傳感器中用來測量空間加速度的傳感器,即測量物體在空間中速度變化的快慢,三軸加速度傳感器與單軸、兩軸加速度傳感器在測量原理上沒有差別,他們的主要差別在于測量的維度不同,三軸加速度傳感器主要是將空間加速度在X、Y、Z三個軸上進行分解,在一定的技術上三個單軸就可以變成一個三軸。
一、三軸加速度傳感器的類型、原理與特點
根據(jù)加速度傳感器的實現(xiàn)原理,目前加速度傳感器主要的類型有:壓阻式、壓電式、電容式三種,他們是將待測量物體的加速度轉化為傳感單元的電阻/電壓/電容的變化,再通過轉換電路將傳感單元的變化數(shù)值轉化為電壓值,接著進行信號相應的放大以及濾波處理,將模擬量處理為合適的穩(wěn)定的輸出信號,此時輸出的信號為電壓值,最后通過ADC轉換器(模數(shù)轉換器),轉換為數(shù)字信號。
壓阻式加速度傳感器是電阻性,呈現(xiàn)低阻抗,具有頻率響應特性好、測量方法易行、線性度好等優(yōu)點,其缺點是溫度效應嚴重、靈敏度低;壓電式加速度傳感器是電容性的,高阻抗,它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、訊噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施,而且輸出的直流響應差,需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷;電容式傳感器的優(yōu)點是:結構簡單、適應性強、動態(tài)響應好、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應,缺點是輸出阻抗高,負載能力差。
加速度傳感器根據(jù)輸出信號的不同,可分為:模擬式和數(shù)字式兩種,兩者的區(qū)別在于,模擬式輸出值為電壓,數(shù)字式輸出值為數(shù)字信號,在具體的應用中模擬式傳感器還需要加入數(shù)模轉換器(ADC),但模擬式則已經集成了ADC電路,可直接通過通訊接口(SPI、I2C等)進行數(shù)據(jù)傳輸,在智能程度上數(shù)字式明顯優(yōu)于模擬式,但是高質量的ADC轉換器價格昂貴甚至可能超出傳感器部分的售格。
三軸加速度傳感器的特點是能夠在預先不知道物體運動方向的場合下,準確且全面的測量出物體的空間加速度,并且體積?。ǔR姷陌宄叽缭冢?/4mm x 3/4/5mm不等),質量輕。如下為三軸傳感器的一些常見參數(shù)介紹:
靈敏度
與ADC(模數(shù)轉換器)等級相關,單位:mv/g(模擬式)或g(數(shù)字式),g代表重力加速度:9.8m/s2
解析度
表示了輸入參數(shù)的最小增量。
測量范圍
表示傳感器所能測量加速度的最大、最小值。
二、三軸加速度傳感器的應用
常見應用領域——
1.汽車電子領域
以車身安全系統(tǒng)為例,當車身受到撞擊時,沖擊傳感器會在幾微秒內將信號發(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評估,并在最短的時間內通過電爆驅動器啟動安全氣囊保證乘客的生命安全。
2.便攜式設備的抗沖擊防護
便攜式設備由于其應用場合的原因,經常會意外跌落或受到碰撞,而造成對內部元器件的巨大沖擊。當?shù)浒l(fā)生時,系統(tǒng)會檢測到加速的突然變化,并執(zhí)行相應的自我保護操作,如關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。
3.衛(wèi)星導航
當進入衛(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航功能?;贛EMS技術的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),對GPS系統(tǒng)實現(xiàn)互補性應用。
4.虛擬現(xiàn)實
例如AR/VR,游戲機手柄等,通過穿戴或手持的游戲裝備、手柄,傳感器同步感應人體加速度,根據(jù)加速度分析人體的動作,進而在游戲屏幕上同步呈現(xiàn)出相應的游戲動作,一些體感游戲甚至能達到與戶外運動相同鍛煉的效果。
具體應用舉例——
01 人體跌倒監(jiān)測系統(tǒng)
人體發(fā)生跌倒是指突發(fā)、不自主的、非故意的體位改變,一般只發(fā)生在短暫的一瞬間,在這瞬間人體的位置、速度和加速度都將發(fā)生瞬間的巨大變化,人體姿態(tài)也會發(fā)生相應變化,根據(jù)三軸加速度的數(shù)值可以計算出三個姿態(tài)角:“pitch俯仰角”,“roll左右偏側角”,“paw豎直方向轉角”,根據(jù)三個姿態(tài)角不僅可以判斷出人體是否跌倒還可以得到人體姿態(tài)的具體姿態(tài)。
以人體質點為原點,如圖1所示,假設人體正前方為X軸,正左為Y軸,正上方為Z軸;那么三個姿態(tài)角的定義分別為:
pitch
X軸與水平面的夾角,
對應人體向前向后的俯仰角
roll
Y軸與水平面的夾角,
對應人體向左向右的側偏角