加速度传感器原理 加速度传感器原理
加速度传感器可以帮助你的机器人了解它当前的环境 。你在爬山吗？还在走下坡路，摔倒了吗？或者对于飞行机器人来说，控制姿态也很重要 。更何况你的机器人没有带着炸弹去人多的地方 。好的程序员可以用加速度传感器来回答以上所有问题 。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动 。
通过测量重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度 。通过分析动态加速度，可以分析设备运动的方式 。但是在开始的时候，你会发现光测倾角和加速度似乎没什么用 。然而，现在工程师们已经想出了许多方法来获得更多有用的信息 。
有些笔记本电脑内置了加速度传感器，可以动态监测笔记本电脑在使用中的震动情况，并且根据这些震动数据，系统会智能选择是关闭硬盘还是保持硬盘运行，这样可以保护震动带来的硬盘损坏，比如工作环境颠簸，或者不小心摔了电脑，最大程度的保护里面的数据 。还有一个用途就是现在的数码相机和摄像机也有加速度传感器，用来检测拍摄时手部的震动，并根据这些震动自动调整相机的焦距 。
加速度传感器可用于控制、手柄振动和摇动、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构、环境监测、工程振动测量、地质勘探、铁路、桥梁和大坝的振动测试和分析；鼠标、高层建筑结构动力特性和安全振动侦察 。
加速度传感器的工作原理
线性加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡 。a(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F，如何测量F？就用电磁力来平衡这个力 。可以得到f和电流之间的关系 。只需要通过实验来校准这个比例系数 。当然，中间的信号传输、放大、滤波都是电路的事情 。
现代科学技术要求加速度传感器价格低廉，性能优越，易于批量生产 。在军事工业、空系统、科学测量等领域 。，就需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器 。传统加工方法制造的加速度传感器很难完全满足这些要求 。因此，采用新型微加工技术制作的微加速度传感器应运而生 。这种传感器体积小，重量轻，功耗低，启动快，成本低，可靠性高，易于实现数字化和智能化 。而且由于微机械结构精密、可重复、易于集成、适合批量生产，所以性价比非常高 。可以预见，在不久的将来，它将主导加速度传感器市场 。
微加速度传感器有压阻式、压电式和电容式 。
压电传感器基于弹簧质量系统的原理 。当敏感芯的质量受到振动加速度时，产生与加速度成比例的力，并且压电材料沿着其表面形成与力成比例的电荷信号 。压电加速度传感器是应用最广泛的振动测量传感器，具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小、压电材料自身产生电荷信号不需要外接电源等特点 。压电式加速度传感器虽然结构简单，商用历史悠久，但其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此市场上销售的同类传感器的实际参数及其稳定性和一致性差异很大 。与压阻式和电容式传感器相比，它最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号 。
压电式加速度传感器的结构如图所示 。在两块表面镀银的压电晶片(应时晶体或压电陶瓷)之间夹一块金属片，引出输出信号的引线 。质量块放置在压电晶片上，硬弹性弹簧用于向压电元件施加预压缩载荷 。静态预载应远大于传感器在振动和冲击测试中可能承受的最大动态应力 。这样，当传感器向上移动时，质量产生的惯性力增加了压电元件上的压应力；相反，当传感器向下移动时，压电元件的压缩应力减小，从而输出与加速度成比例的电信号 。
整个传感器组件安装在原始底座上，并用金属外壳密封 。为了隔离样本的任何应变，使其不被传递到压电元件，基座尺寸较大 。测试时，传感器底座与试件刚性连接 。当试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时，传感器的输出电荷(或电压)与试件的加速度成正比，可以用电荷放大器或电压放大器测量加速度 。
应变压阻式加速度传感器的敏感核心是由半导体材料制成的电阻测量电桥，其结构动力学模型仍然是弹簧质量系统 。随着现代微加工技术的发展，压阻敏感芯的设计具有很大的灵活性，可以满足各种测量要求 。就灵敏度和测量范围而言，有从低灵敏度、高测量范围的冲击测量到高DC灵敏度的低频测量的压阻式加速度传感器 。同时，压阻式加速度传感器的测量频率范围也可以从DC信号到高刚度的高频测量，测量频率范围可以达到几十千赫兹 。超小型化设计也是压阻式传感器的一大亮点 。需要指出的是，虽然压阻敏感芯的设计和应用具有很大的灵活性，但是特定设计的压阻芯的应用范围一般小于压电传感器 。压阻式加速度传感器的另一个缺点是受温度影响较大，实用的传感器一般都需要温度补偿 。在价格上，大量使用的压阻式传感器的成本价有很大的市场竞争力，但特殊用途的敏感核心系统成本会比压电式加速度传感器高很多 。
电容式加速度传感器的结构一般采用弹簧质量系统 。当质量在加速度的作用下运动时，质量块与固定电极之间的间隙发生变化，进而改变电容值 。与其他类型的加速度传感器相比，电容式加速度计具有灵敏度高、零频响、环境适应性好等特点 。，尤其是受温度影响较小 。但缺点是信号的输入输出是非线性的，范围有限，受电缆电容的影响，而且电容传感器本身是高阻抗信号源，所以电容传感器的输出信号往往需要后续电路来改善 。在实际应用中，电容式加速度传感器多用于低频测量，但通用性不如压电式加速度传感器，成本也远高于压电式加速度传感器 。
加速度传感器可用于控制、手柄振动和摇动、仪器仪表、汽车制动启动检测、地震检测、报警系统、玩具、结构、环境监测、工程振动测量、地质勘探、铁路、桥梁和大坝的振动测试和分析；鼠标、高层建筑结构动力特性和安全振动侦察 。
目前，大多数设备都提供可以检测所有方向的加速度传感器 。以iOS设备为例，我们利用其三轴加速度传感器的特性(如图所示x、Y、z Y、Z轴代表方向)进行分析 。用于检测人行走时三个方向的加速度变化 。
三轴加速度传感器原理图
在用户的水平行走运动中，垂直和向前的加速度会周期性变化，如图所示 。在收脚运动中，由于重心上移，一只脚着地，垂直方向的加速度正增大 。之后继续向前，重心下移两脚触底，但加速度相反 。当脚闭合时，水平加速度减小，当脚迈步时，水平加速度增大 。
反映在图表中，我们可以看到，在行走中，垂直和向前运动产生的加速度随时间大致是一条正弦曲线，在某一点有一个峰值 。其中，垂直方向的加速度变化最大 。通过检测和计算轨迹的峰值，并做出加速度阈值判决，可以实时计算出用户的移动步数，进而估算出用户的行走距离 。
合理的计步算法
因为用户可能在锻炼期间用手水平握住该设备或将该设备放在口袋中 。因此，设备的放置方向是不确定的 。因此，通过计算三个加速度的矢量长度，我们可以得到一个正弦的行走轨迹 。
第二步是峰值检测 。我们记录下最后的向量长度和运动方向 。通过改变向量长度，可以判断当前的加速度方向，并与上次保存的加速度方向进行比较 。如果相反，即刚好在峰值状态之后，进入计步逻辑进行计步，否则丢弃 。通过累计高峰次数，可以获得用户的行走步调 。
【加速度传感器原理 加速度传感器原理】最后，就是干涉 。手持设备可能会出现一些低幅度快速抽动的状态，或者我们俗称的手抖，或者某个恶作剧的用户想通过短时间快速反复晃动设备来模拟人走路 。如果不排除这些干扰数据，会影响计步的准确值 。对于这种干扰，我们可以通过在检测中加入阈值和步频判断来过滤 。
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