加速度傳感器的原理及使用方法

1. 什么是加速度？

在您用微控制器創(chuàng)建作品的時(shí)候，是不是經(jīng)常遇到希望作品根據(jù)“運(yùn)動(dòng)”而執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的情況？例如，當(dāng)搖動(dòng)它時(shí)顏色會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)傾斜它時(shí)會(huì)發(fā)出聲音……在這種情況下，通?？梢允褂盟^的“加速度傳感器”來實(shí)現(xiàn)。加速度傳感器也分為不同的類型。

那么，加速度傳感器可以測量的“加速度”到底是什么樣的物理量呢？可能很多人會(huì)理解為“運(yùn)動(dòng)”或“沖擊強(qiáng)度”，下面讓我們先來了解一下加速度。當(dāng)您打開物理教科書時(shí)，上面通常會(huì)這樣寫著：

物體位置隨時(shí)間的變化（時(shí)間微分）就是速度（單位：［m/s］）

物體速度隨時(shí)間的變化（時(shí)間微分），即位移對(duì)時(shí)間的二階微分就是加速度（單位： ［m/s2］）

用公式來表達(dá)時(shí)是這樣的（不擅長公式的可以忽略。準(zhǔn)確地說，x、v、a通常是三維向量）：

相對(duì)于位置x，速度v=dx/dt，加速度a=d2 x/dt2

另外，該加速度a與施加在物體上的力F成正比。也就是說，如果物體的質(zhì)量是m，那么F=ma（稱為“運(yùn)動(dòng)方程”）。

換句話說，只要能檢測出加速度，就可以求得施加在物體上的力。

重力加速度

順便提一下，由于重力也是作用在物體上的力，因此也會(huì)產(chǎn)生加速度（重力加速度：9.8［m/s2］）。換言之，通過測量靜止（準(zhǔn)確地說是加速度為零=勻速運(yùn)動(dòng)）物體的三維加速度，可以知道該物體相對(duì)于水平面的傾斜度（方向）。

此外，微分和積分是互逆運(yùn)算的關(guān)系，因此，如果對(duì)位置進(jìn)行微分計(jì)算，將得到速度值；如果對(duì)速度進(jìn)行積分計(jì)算，則得到位置值。另外，對(duì)加速度進(jìn)行兩次積分可以獲得位置值。也就是說，只要能測量出加速度，就可以求得物體的速度和位置。

獲取物體位置的方法有多種，例如，如果是在戶外，可以使用GPS進(jìn)行測量，不過也有通過加速度求位置的方法。這種方法稱為“航位推測（Dead Reckoning）法”，但實(shí)際上精度不是太高（因?yàn)檫@是通過數(shù)值計(jì)算來進(jìn)行時(shí)間積分的，所以誤差會(huì)累積），而且用很長時(shí)間求位置并不方便實(shí)際應(yīng)用（多通過其他方法定期校正來使用）。

2. 與陀螺儀和羅盤配套使用

陀螺儀

經(jīng)常與加速度傳感器配套使用的傳感器有“陀螺儀”和“羅盤”。

陀螺儀用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速（角速度），在測量物體的方向和運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常與加速度傳感器結(jié)合使用。另外，羅盤通過檢測地磁來測量方向（方位），其原理與指南針相同。與其他傳感器不同，它的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以測量相對(duì)于北方或南方的朝向（朝向的絕對(duì)值），而使用加速度傳感器和陀螺儀，只能得到從開始測量時(shí)的變化量=相對(duì)值。

順便提一下，加速度傳感器與陀螺儀相結(jié)合的傳感器通常稱為“六軸傳感器”，再配上羅盤的傳感器通常稱為“九軸傳感器”。加速度、陀螺儀（角速度）和羅盤（方位）都是在三維空間中具有x、y、z三個(gè)分量的產(chǎn)品，都是三軸傳感器。

3. 加速度傳感器的使用方法

抱歉，基礎(chǔ)知識(shí)類的內(nèi)容有點(diǎn)長了。我想大家已經(jīng)知道可以用加速度傳感器測量哪些物理量了，下面我們來了解一下實(shí)際使用方法。例如，在Switch Science網(wǎng)站可以買到Grove標(biāo)準(zhǔn)的模塊，與Arduino和Raspberry Pi等配合使用很方便。

與微控制器配合使用時(shí)的使用方法與其他傳感器大致相同，例如，與Arduino配合使用時(shí)，流程通常是先安裝庫，然后打開示例草圖并運(yùn)行。

Arduino的加速度傳感器示例草圖例

順便提一下，過去根據(jù)加速度的大小輸出電壓的產(chǎn)品類型（模擬輸出）很多，這類產(chǎn)品必須使用x、y、z軸三個(gè)軸的A/D轉(zhuǎn)換器（模擬輸入端口）。然而，最近大部分產(chǎn)品都可以像其他傳感器一樣直接連接I2C總線使用了。

4. 加速度傳感器的原理

直到最近，加速度傳感器才變得更易于使用。這是因?yàn)槲⒓?xì)加工技術(shù)的進(jìn)步在其中發(fā)揮了重要作用。

加速度傳感器的原理

加速度傳感器的測量需要使用上圖所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)施加加速度時(shí)，就會(huì)被施加因加速度產(chǎn)生的力（慣性力），從而產(chǎn)生變形。這樣，圖中虛線包圍部分的距離會(huì)發(fā)生變化。這部分可以看成是兩個(gè)導(dǎo)體相對(duì)的結(jié)構(gòu)，也就是一個(gè)電容器，其距離的改變意味著電容器的電容量發(fā)生了變化。可能有些人還記得在高中物理中學(xué)過的平行板電容器C的公式C=ε S/d。

測量電容器容量變化的方法有很多。其中包括測量振蕩電路頻率變化的方法，以及測量恒流充電時(shí)電壓變化的方法。電容器的電壓V可以根據(jù)與存儲(chǔ)的電荷Q的關(guān)系，通過V=Q/C求得。

在半導(dǎo)體芯片內(nèi)部形成這種結(jié)構(gòu)的技術(shù)稱為“MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）”，隨著半導(dǎo)體加工和制造技術(shù)的進(jìn)步，在1990年左右達(dá)到了投入實(shí)際應(yīng)用的水平。使用這種技術(shù)可以制作約10μm的非常小的結(jié)構(gòu)。這使得在半導(dǎo)體芯片上不僅可以創(chuàng)建電氣電路和電子電路，還可以創(chuàng)建處理力等物理量的結(jié)構(gòu)。

第一款采用這種MEMS結(jié)構(gòu)的加速度傳感器產(chǎn)品是ADI公司于1993年推出的ADXL50。

ADI公司ADXL50的傳感器部分

一旦能夠?qū)EMS集成到半導(dǎo)體芯片中，處理從中獲得的信號(hào)就是電子電路的擅長領(lǐng)域了。隨著半導(dǎo)體芯片中集成的功能越來越多，比如放大、降噪、A/D轉(zhuǎn)換，甚至與I2C等數(shù)字控制信號(hào)的接口，最近的產(chǎn)品已經(jīng)能夠很輕松地進(jìn)行高精度測量了。

順便提一下，前面介紹的角速度傳感器陀螺儀也采用了MEMS結(jié)構(gòu)。角速度是通過角速度產(chǎn)生的“科里奧利力”引起的結(jié)構(gòu)變形來測量的。

5. 擴(kuò)展到氣壓計(jì)和麥克風(fēng)

具有MEMS結(jié)構(gòu)的傳感器還有其他產(chǎn)品。例如，測量大氣壓的氣壓傳感器也測量壓力帶來的結(jié)構(gòu)變形。如今，這些氣壓傳感器也變得越來越易于使用。

另外，最近越來越多拾取空氣中振動(dòng)（即音源）的麥克風(fēng)也開始采用MEMS結(jié)構(gòu)。MEMS結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)比以前常用的動(dòng)圈式和電容式麥克風(fēng)更小型、更便宜。其中，模擬電壓輸出和脈沖密度根據(jù)音量而變化的PDM（Pulse Density Modulation=脈沖密度調(diào)制）輸出的產(chǎn)品比較多。