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加速度傳感器 陀螺儀傳感器：加速度計和陀螺儀傳感器：原理、檢測及應(yīng)用
編者按：微機電系統(tǒng)(MEMS)在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，移動市場的增長也帶動了MEMS需求的日益旺盛。實際上，MEMS傳感器正在成為消費類和移動產(chǎn)品差異化的關(guān)鍵要素，例如游戲控制器、智能手機和平板電腦。MEMS為用戶提供了與其智能設(shè)備交互的全新方式。本文簡要介紹MEMS的工作原理、檢測架構(gòu)以及各種潛在應(yīng)用。
引言
本文引用地址：
微機電系統(tǒng)(MEMS)將機械和電子元件集成在微米級的小型結(jié)構(gòu)中。利用微機械加工將所有電氣器件、傳感器和機械元件集成至一片共用的硅基片，從而由半導(dǎo)體和微加工技術(shù)組合而成。MEMS系統(tǒng)的主要元件是機械單元、檢測電路以及ASIC或微控制器。本文簡要介紹MEMS加速度計傳感器和陀螺儀，討論其工作原理、檢測結(jié)構(gòu)以及目前市場的熱點應(yīng)用，對我們?nèi)粘Ｉ罹哂猩钸h的影響。
1 MEMS慣性傳感器
MEMS傳感器在許多應(yīng)用中測量沿一個或多個軸向的線性加速度，或者環(huán)繞一個或多個軸的角速度，以作為輸入控制系統(tǒng)(圖1)。
MEMS加速度計傳感器通常利用位置測量接口電路測量物體的位移，然后利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，以便進行數(shù)字處理。陀螺儀則測量物體由于科里奧利加速度而發(fā)生的位移。
2 加速度計工作原理
根據(jù)牛頓第二定律，物理加速度(m/s2)與受到的合力(N)成正比，與其質(zhì)量(kg)成反比，加速度方向與合力相同。
值得注意的是，加速度計的作用力檢測單元捕獲產(chǎn)生加速的力。所以，加速度計實際測量的是力，而不是加速度;基本上是通過測量施加在加速度計其中一個軸向的作用力間接測量加速度。
加速度計也是一種機電裝置，包括孔、空腔、彈簧和管道，機械加工采用微加工技術(shù)。加速度計采用多層晶圓工藝，通過檢測物體重心相對于固定電極的位移測量加速力。
3 加速度計的檢測單元
加速度計常見的檢測方法是電容檢測，其中加速度與運動產(chǎn)生的電容變化相關(guān)(圖2)。這種檢測技術(shù)的優(yōu)點是高精度、高穩(wěn)定度、低功耗，以及結(jié)構(gòu)簡單，不容易受噪聲及溫度波動的影響。由于電容式加速度計的物理結(jié)構(gòu)(彈簧)以及IC內(nèi)的空氣作為阻尼器，其帶寬只有幾百赫茲。
ε0=自由空間的介電常數(shù)
εr=電極板之間的材料的相對介電常數(shù)
A=電極板之間的重疊面積
D=電極板之間的距離
電容結(jié)構(gòu)可以為單側(cè)或差分對。我們以差分對加速度計為例進行介紹(圖3)。加速度計包括單個可移動物體(一個表面)，物體沿著彈簧方向放置，介于兩個固定的硅基片或電極(另一平面)之間。顯而易見，物體相對于固定電極(d1和d2)運動(Motion x)，造成電容發(fā)生變化(C1和C2)。通過計算C2和C1之差，得出物體重心的位移及其方向。
可移動物體的位移(微米)是由于加速引起的，造成電容發(fā)生極其微小的變化，可正確檢測到這一變化(式1)。這種方式需要使用多個可移動和固定電極，采用并聯(lián)配置;可產(chǎn)生更大的電容變化，提高檢測精度，并最終使電容檢測技術(shù)更加可行。
上述過程可簡單歸納為：作用力導(dǎo)致物體發(fā)生位移，進而發(fā)生電容變化。將多個電極并聯(lián)，可獲得更大的電容變化，更容易檢測到位移(圖4)。V1和V2連接至電容的每側(cè)，電容分壓器的中心連接到物體。
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如何正確的選擇壓電式加速度傳感器 6大方面可以參...
壓電加速度傳感器因其頻響寬、動態(tài)范圍大、可靠性高、使用方便，受到廣泛應(yīng)用。在一般通用振動測量時，用戶...
發(fā)表于 2018-05-14 07:35
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通過不同加速度傳感器的原理、制作工藝及應(yīng)用展開全...
MEMS壓阻式加速度傳感器的敏感元件由彈性梁、質(zhì)量塊、固定框組成。壓阻式加速度傳感器實質(zhì)上是一個力傳...
發(fā)表于 2018-05-03 16:55
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加速度傳感器的技術(shù)要求和正確選型
傳感器的靈敏度應(yīng)根據(jù)被測振動量（加速度值）大小而定，但由于壓電加速度傳感器是測量振動的加速度值，而在...
發(fā)表于 2018-04-28 10:42
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加速度傳感器種類和應(yīng)用
發(fā)表于 2018-04-28 10:04
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加速度傳感器測量電路中的問題
發(fā)表于 2018-04-26 20:38
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跌倒探測儀系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計分析
跌倒探測儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模...
發(fā)表于 2018-04-13 12:33
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傾角測量的原理 雙軸傾角設(shè)計及其應(yīng)用
MAV由于體積和負載能力極為有限，因此，減小和減輕飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的體積及重量，就顯得尤為重要。本文基于...
發(fā)表于 2018-04-13 11:37
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MEMS加速度傳感器雙贏局面仍有趨勢
市場容量持續(xù)擴張 從加速度傳感器實現(xiàn)的功能來看，無論是國際知名品牌的手機，還是普通的手機，其主要功...
發(fā)表于 2018-04-10 16:54
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MEMS加速度傳感器致力汽車主安全防患未然
隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，MEMS微機電系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)迎來了重大發(fā)展機遇。在致力于防患未然的汽...
發(fā)表于 2018-03-29 10:08
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計步器是計步工作原理解析
計步器到底是怎么工作的呢？是怎么知道我們每天走了多少步的呢？ 記步神器：雷布斯小米手環(huán)2 中國電子科...
發(fā)表于 2018-03-26 10:37
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三步教你結(jié)合加速度傳感器和陀螺儀算法設(shè)計
從現(xiàn)在開始我們認為你已經(jīng)設(shè)置好了IMU模塊并能計算出正確的Axr，Ayr，Azr值（在第一部分加速度...
發(fā)表于 2018-03-13 09:12
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基于加速度傳感器陣列定位的無線高亮LED燈光控制...
1.1賽題來源及科學(xué)意義 隨著社會的不斷進步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對我們賴以生存的地球投入了越來...
發(fā)表于 2018-02-20 22:08
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加速度傳感器存在安全隱患 豐田計劃2月10日起召...
據(jù)報道，近日豐田決定自2018年2月10日起緊急召回18萬輛汽車，全新漢蘭達汽車共計輛;雷...
發(fā)表于 2018-02-13 11:14
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加速度傳感器芯片有哪些_常見MEMS加速度傳感器...
加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組...
發(fā)表于 2018-02-05 11:47
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加速度傳感器是什么_常用加速度傳感器有哪幾種分類
加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組...
發(fā)表于 2018-02-05 11:28
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2017年陀螺儀傳感器的市場如何，未來國內(nèi)有哪些...
對于不熟悉陀螺儀傳感器的人而言，它似乎離我們很遙遠，但對電子工程師而言，陀螺儀傳感器是大家經(jīng)常接觸的...
發(fā)表于 2018-01-04 08:45
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傳感器應(yīng)用太廣泛了！手機里竟然藏著這么多功能強大...
傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感...
發(fā)表于 2017-12-20 14:59
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常見的微型運動傳感器如何進行控制？這篇文章講透了
就在過去兩年中，運動傳感技術(shù)已經(jīng)開始遍地開花視頻控制臺、智能手機、電視遙控器和個人訓(xùn)練設(shè)備就在我們給...
發(fā)表于 2017-12-20 10:54
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MEMS加速度傳感器的原理與構(gòu)造介紹
隨著硅微機械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展,各種基于MEMS技術(shù)的器件也應(yīng)運而生,目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)...
發(fā)表于 2017-12-06 17:22
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基于單片機的計步器設(shè)計和實現(xiàn)
計步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計利用...
發(fā)表于 2017-11-27 19:19
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為什么arduino uno只能每秒讀傳感器80次？
發(fā)表于 2017-11-27 03:16
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Matlab 能讀 Arduino監(jiān)視窗口的數(shù)據(jù)嗎？
發(fā)表于 2017-11-20 08:03
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急！！Matlab 能讀 Arduino監(jiān)視窗口的數(shù)據(jù)嗎？
發(fā)表于 2017-11-20 08:02
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請教關(guān)于VISA串口讀取數(shù)據(jù)時，出現(xiàn)嚴重延時的問題
發(fā)表于 2017-11-17 04:22
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基于加速度傳感器的計步器設(shè)計與實現(xiàn)
隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS 技術(shù)的慣性傳感器得到迅速發(fā)展，其具有價格低、體積小、功耗低、...
發(fā)表于 2017-11-09 15:09
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無線加速度傳感器
發(fā)表于 2017-10-25 21:09
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加速計
發(fā)表于 2017-09-18 10:42
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如何利用加速度傳感器測量物體的傾斜角度？
測量物體的傾斜角度是加速度傳感器的一種常見應(yīng)用，雖然測試原理十分簡單，但具體實現(xiàn)過程中仍然會遇到很多...
發(fā)表于 2017-08-30 16:41
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加速度傳感器的技術(shù)指標與應(yīng)用，壓電式加速度傳感器...
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球...
發(fā)表于 2017-06-07 16:04
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加速度傳感器的分類、工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)
加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組...
發(fā)表于 2017-06-07 11:53
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手機傳感器最全的資料，就在這里了！
手機中的傳感器是指手機上的那些能夠通過芯片來感應(yīng)的元器件，如反應(yīng)距離值、光線值、溫度值、亮度值和壓力...
發(fā)表于 2017-01-10 16:00
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加速度傳感器在鐵路交通中的應(yīng)用
自鐵路出現(xiàn)以來，火車便在陸地交通運輸中擔(dān)當著舉足輕重的角色。尤其是隨著社會的快速發(fā)展，資源流通的頻率...
發(fā)表于 2017-01-05 17:25
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加速度傳感器工作原理及應(yīng)用
可穿戴設(shè)備當中傳感器至關(guān)重要，其中的加速度傳感器能夠完成位置及姿勢的識別。本文通過對三軸傳感器工作原...
發(fā)表于 2016-12-28 15:16
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加速度傳感器的選型、安裝、排障
隨著智能手機等消費類電子的普及，要求設(shè)備具備更高的功能和可設(shè)計性，加速度傳感器為滿足使用中的工況環(huán)境...
發(fā)表于 2016-11-29 14:57
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三軸加速度傳感器應(yīng)用詳解
加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀改進過來的。另一種就是線加速度傳感器。它也可以按...
發(fā)表于 2016-11-29 13:45
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加速度傳感器的選型、安裝、排障（典藏）
加速度傳感器為滿足使用中的工況環(huán)境和量程、精度等需求，要做正確的選型，我們來了解一下加速度傳感器有哪...
發(fā)表于 2016-11-29 13:36
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細數(shù)加速度傳感器的7大應(yīng)用場景
加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀改進過來的。另一種就是線加速度傳感器。它也可以按...
發(fā)表于 2016-11-24 17:13
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應(yīng)用輻射各行各業(yè) 傳感器市場即將爆發(fā)
在萬物互聯(lián)時代，傳感器是其中最關(guān)鍵的組件之一。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016-2021年，受物聯(lián)...
發(fā)表于 2016-11-24 10:27
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加速度傳感器工作原理及分類
加速度傳感器是一種能夠測量加速力，將加速度轉(zhuǎn)換為電信號的電子設(shè)備。加速力就是當物體在加速過程中作用在...
發(fā)表于 2016-11-22 11:50
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加速度傳感器的應(yīng)用詳解
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力也就是當物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度傳...
發(fā)表于 2016-11-15 11:25
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加速度傳感器的幾種應(yīng)用
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力也就是當物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度傳...
發(fā)表于 2016-05-23 18:00
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詳解加速度傳感器的幾種應(yīng)用
現(xiàn)在，加速度傳感器廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動和搖晃、汽車制動啟動檢測、地震檢測、工程測振、地質(zhì)勘探...
發(fā)表于 2015-04-27 09:58
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基于智能手機的人體跌倒檢測系統(tǒng)
目前，跌倒檢測方法最常見的是視頻圖像分析法和穿戴式裝置檢測法。##Android是一個開源移動操作系...
發(fā)表于 2015-01-30 11:35
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基于MEMS加速度傳感器五大功能簡化用戶設(shè)計
隨著蘋果iPhone和任天堂Wii游戲機的流行，加速度傳感器在消費類電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。
發(fā)表于 2014-07-15 16:16
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淺析加速度傳感器在高速鐵路中的應(yīng)用
隨著高速鐵路飛速發(fā)展，在時速超過350km／h的高速鐵路線路上，列車的測速定位問題顯得越來越重要。測...
發(fā)表于 2014-07-15 15:17
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基于加速度傳感器的低功耗沖擊記錄儀的實現(xiàn)
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是電子加速度傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀應(yīng)運...
發(fā)表于 2014-07-15 14:57
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基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手勢識別系統(tǒng)
本文給出了采用ADXL335加速度傳感器來采集五個手指和手背的加速度三軸信息，并通過ZigBee無線...
發(fā)表于 2014-07-14 10:55
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基于C8051F020與傳感器的振動信號分布式檢...
介紹了C8051F020及MXA2500GL的性能特點，并給出了振動信號分布式檢測的架構(gòu)及實現(xiàn)。
發(fā)表于 2014-07-13 11:43
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手機上那些你所不知道的傳感器
現(xiàn)在的手機越來越多功能，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使手機的進步更是迅速。人們對手機的要求已經(jīng)不局限于以...
發(fā)表于 2014-07-11 13:23
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基于加速度傳感器MMA7260QT的自動搖籃設(shè)計
照顧小寶寶是非常勞累的事情，因為他們醒來和睡覺都比較頻繁，加之喂食換衣服等活動，會占用大人大量的時間...
發(fā)表于 2014-07-10 09:07
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加速度傳感器ADXL50在導(dǎo)彈行軍中的應(yīng)用
在導(dǎo)彈車載行軍過程中，車上的導(dǎo)彈會受到各種振動的沖擊影響，這種振動沖擊如果過大則會造成導(dǎo)彈的損傷或損...
發(fā)表于 2014-07-08 14:58
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傳感器在筆記本防盜器中的應(yīng)用
近年來針對筆記本等個人貴重物品被盜時有發(fā)生這一現(xiàn)狀,設(shè)計出一種基于加速度傳感器的低功耗無線防盜器。
發(fā)表于 2014-07-07 20:19
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飛思卡爾MMA955xL: Xtrinsic運動...
飛思卡爾的Xtrinsic MMA955xL智能運動傳感平臺用于移動設(shè)備，是業(yè)界第一個集成了MEMS...
發(fā)表于 2014-01-22 15:12
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飛思卡爾FXOS8700CQ6軸數(shù)字傳感器：3D...
飛思卡爾FXOS8700CQ 6軸Xtrinsic傳感器在小型3 x 3 x 1.2 mm QFN塑...
發(fā)表于 2014-01-22 14:32
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ADXL362：一款超低功耗、3軸MEMS加速度...
ADXL362是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計，輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz時功耗低于2 μA，在...
發(fā)表于 2014-01-22 10:28
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可穿戴設(shè)備中的傳感器分類與國內(nèi)供應(yīng)商一覽
IMS研究指出，保健和醫(yī)療領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備占據(jù)今年60%市場份額，未來的份額可能會進一步提升。可穿戴...
發(fā)表于 2013-10-24 10:28
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打造智能傳感器平臺 軟件成熟度是關(guān)鍵
除了融合多種傳感器的硬件技術(shù)之外，飛思卡爾市場經(jīng)理高小龍還強調(diào)，對于多合一及智能傳感器平臺，軟件方案...
發(fā)表于 2013-08-09 08:53
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三軸加速度傳感器在智能車控制與道路識別中的應(yīng)用
三軸加速度傳感器MMA7260Q可以測量智能車慣性大小，選取最佳重心位置，并能準確定位智能車處于直線...
發(fā)表于 2013-07-02 17:01
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汽車、消費、醫(yī)療商機看漲 ADI爭當MEMS先鋒
受益于我國汽車電子、新型數(shù)字消費電子和醫(yī)療電子等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)市場對傳感器的需求呈現(xiàn)出快速增長...
發(fā)表于 2013-04-27 09:32
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MEMS加速度傳感器 打造下一代智慧生活
現(xiàn)今在社會大眾的生活周遭，我們已經(jīng)不知不覺的在享受MEMS傳感器所帶給我們的所有便利以及生活安全上的...
發(fā)表于 2013-03-14 16:52
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TI展示革命性鼠標樣品：可懸空操控的“三維”鼠標
德州儀器展示了一款革命性的鼠標樣品，它是真正的“三維”鼠標，不需要任何介質(zhì)便可懸空操控。
發(fā)表于 2013-03-12 11:13
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加速度計應(yīng)用于筆記本電腦硬盤保護
本文介紹利用加速度傳感器判斷硬盤是否劇烈震動、跌落，及時調(diào)整硬盤讀寫磁頭到安全區(qū)，達到保護目的。下面...
發(fā)表于 2013-02-02 09:45
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加速度傳感器 陀螺儀傳感器：陀螺儀和加速度傳感器
今天找pid的資料突然找到了一個，然后發(fā)現(xiàn)了一個平衡車的教程，所以就記錄了下來，方便以后看，下面有鏈接所以可以去看一下這個網(wǎng)站。
1. 加速度傳感器
加速度傳感器，有些人也叫它加速度計，你只要記住其實是一個東西兩個名字而已。
加速度傳感器，顧名思義，用于測量由地球引力作用或者物體運動所產(chǎn)生的加速度。
為了方便理解，我將加速度分為兩種：由地球引力產(chǎn)生的重力加速度，只要地球還在，重力就不會消失；由物體運動產(chǎn)生的運功加速度，根據(jù)牛二定理，只要有外力作用，便產(chǎn)生加速度。加速度傳感器測量的是這個加速度的總和。物體靜止加速度計測量的就是重力加速度。
2.陀螺儀
陀螺儀，沒錯，它就只叫陀螺儀，沒有其他名字。
陀螺儀，顧名思義，你猜不出它是干嘛的也很正常。但是，現(xiàn)在你要記住了，陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。
我們小時候玩四驅(qū)車的時候，常說這個電機轉(zhuǎn)每秒很牛逼，單位轉(zhuǎn)/秒，那你怎么知道它轉(zhuǎn)每秒，它這樣寫你就信了？如果我們有陀螺儀，把陀螺儀掛到電機軸上，那么陀螺儀測量的是旋轉(zhuǎn)角速度，再除于三百六十度（一轉(zhuǎn)）就可以知道這個電機轉(zhuǎn)速了。實際上我們不會這樣測轉(zhuǎn)速-。 -，這里僅舉個例子讓你明白陀螺儀是干啥的。
陀螺儀利用了旋轉(zhuǎn)坐標系中的物體會受到科里奧利力的原理。在陀螺儀中利用壓電陶瓷做成振動單元，當旋轉(zhuǎn)（陀螺儀）時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。
要獲得角度，就需要對陀螺儀角速度進行積分Angle+ 。Angle是帶有正負的，正值表示按正向旋轉(zhuǎn)，負值表示按負向旋轉(zhuǎn)。具體怎么定義正負方向，就得看你的運用了。
圖5 MPU-6050方向正負示意圖
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。如果角速度信號存在微小 的偏差和漂移，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步 增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信。如圖6所示。
為什么要用加速度計和陀螺儀兩個傳感器？
似乎只需要加速度傳感器就可以獲得車模的傾角，再對此角度值進行微分便可以獲得傾角速度。但在實際車體運行過程中，由于車體本身的擺動所產(chǎn)生的加速度會產(chǎn)生很大的干擾信號，它疊加在上述測量信號上使得輸出信號無法準確反映車體的傾角，如圖7所示。
圖7 車體運動引起加速度信號波動
由于陀螺儀輸出的是車體的角速度，不會受到車體運動的影響，因此該信號中噪聲很小。車體的角度又是通過對角速度積分而得，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號，如圖8所示。
圖8 陀螺儀積分誤差
如何消除陀螺儀的累積誤差呢？
一種簡單的方法就是通過加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正。通過對比陀螺儀積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。
一言蔽之，陀螺儀噪聲很小，角速度數(shù)據(jù)精準，通過積分得到角度，但是長期積分會產(chǎn)生累積誤差，需要加速度傳感器來校正此誤差，獲得正確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
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