第4章(A-1)电容式加速度传感器

第4章（A-1）：电容式加速度传感器1、飞思卡尔传感器芯片飞思卡尔传感器产品主要分为三大部分：惯性传感器、压力传感器与电场传感器。2、加速度传感器的应用惯性传感器即为加速传感器，可以用于侦测倾斜、振动及撞击，因此可以用在汽车乘客安全、振动监控、运动诊断、防盗装置、电器平衡、地震检测、倾角/倾斜仪及便携式电子设备中。3、应用原理加速传感器可用来侦测X、Y、Z轴方向的加速度，以模拟电压来表示所侦测的加速度的大小，在IC内部主要由双芯片构成，即重力感测单元（负责加速度的侦测）与控制IC单元（负责信号处理）。双芯片可以分开安置也可以叠放处理。3、应用原理X轴或Z轴的重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到电荷积分器做积分运算，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。此输出的模拟电压与侦测的加速度值会维持线性比例的特性，不会受到温度的影响。3、应用原理3-1x轴向g测量电容的物理特性：电容值的大小与电极板的面积大小成正比，和电极板的间隔距离成反比g感测单元即利用电容的原理设计出来的3-1x轴向g测量在左上角的小区块，深色的部分代表可移动的电极板在深色电极板的上方左偏置与下方右偏置板块则是固定的电极板，当深色电极板因加速度的影响而改变与左右偏置板的间隔，则使得电容值改变进而促使电容电压值的改变，因此可借此特性计算出加速度的大小。3-1x轴向g测量Scanningelectronmicroscope：扫描电子显微镜3-2z轴向g测量Z轴向垂直g感测单元的感测原理与X轴向g感测单元的感测原理相同，只是架构有所差异。3-2z轴向g测量当中间的极板因为加速度的影响而改变与上下极板的间隔，则将产生电容值的改变。因此，可借此特性计算出此加速度的大小。有弹簧装置，用来缓冲可移动电极板的移动。3-2z轴向g测量4、加速度传感器的六种感应功能加速传感器的感应功能1）倾斜度侦测2）运动检测3）定位侦测4）震动侦测5）振动侦测6）自由落下侦测4-1倾斜度侦测倾斜度侦测电子罗盘，倾斜仪，文本滚动浏览/用户界面，图像旋转，LCD投影等。4-1倾斜度侦测加速传感器在静止时，可用来检测倾斜角，倾斜角在90~+90之间变化时，加速传感器输出会在1.0g~+1.0g之间变化。输出电压对应倾斜角的公式如下示：VOUT加速传感器的输出;Voff零加速度；△V/△G灵敏度；1.0G地球重力；θ倾斜角4-2运动检测运动检测可用于运动控制，计步器，基本运动检测。在进行运动检测时，需要考虑到几个因素，包括：如何计算它的位移，g值的范围选择及使用量测轴。首先确定位移：计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则是需进行一次积分。根据对象的不同，g值的范围在2~20g之间变化。4-2运动检测跳跃运动产生的电压输出变化示意，由图中可知，当跳跃至最高点时处于无重力的状态，当落至地面时加速度出现近似脉冲的波形，由曲线的变化即可判断具体的运动情况。4-2运动检测4-3定位侦测定位侦测可用于汽车导航，防盗设备，地图跟踪。定位侦测需要考虑的因素包括：加速度的范围是多少及加速传感器如何安装。对加速度数据进行二重积分即可得到位置数据。此外，由于加速度数据是不连续的，所以需要进行近似积分。4-3定位侦测在进行定位计算时，必须假设初始位置和速度为零，这样对运动随时间变化的等式进行积分，就是将每个时间间隔内位置和速度的增量分别与前一个值相加即可代表积分的运算。4-4震动侦测震动侦测可用于下降记录，黑盒子/故障记录仪，HDD保护，运输和处理监视器。震动侦测只需考虑的因素是选择g值的范围。一般按照被测量对象的减速度决定了震动检测所需的加速传感器的规则选取。当然，算法将随每种设计的不同而不同，一般设为高于某个临界值。通常情况下，重力的变化范围为：自由落体检测为1.5g，而汽车撞击为250g。4-5振动侦测振动侦测可用于地震活动监视器，智能电机维护，家电平衡和监测。振动侦测需要考虑的因素包括：分析振动频率的多少，确定g值的范围及最适当的加速传感器安装位置。借助于快速傅立叶变换对加速度资料的分析可得到振动频率的情况，快速傅立叶变换允许振动信号被分解成它的谐波分量，而每个电机振动都有它自己的谐波分量信号。通常，根据振动的电机或对象的不同，重力的变化范围为2~20g。当加速传感器安装的离振源越近时，G的范围就会越大。4-5振动侦测在马达控制器应用中，通过加速传感器可以将震动量变化为数据，借此数据可判断出震动量的大小，可用作预防性维修、检测振动信号、检测电机故障并节省成本。4-6自由落下侦测自由落下侦测可用于自由落体保护，下降记录，下降检测，运动控制和认知等。自由落下侦测可分为三种，分别为：线性落下、旋转型落下和抛射落下。它需考虑的因素包括：线性落下g的范围一般落在1g间；由于抛射型落下，因此需考量横轴加速度的多寡及自由落下时要求检测的高度。在完整的自由落体中，线性自由落体需要一个3轴加速计来完成检测。而旋转和抛射自由落体需要一个复杂的算法来监控自由落体信号。4-6自由落下侦测在HDD保护应用中，自由落下侦测是最近出现在消费性电子产品的一个新的应用，利用此项功能可以保护HDD的资料安全。在HDD自由落下撞击地面之前，从加速传感器所得的资料分析出相应的危机状态，系统可立即令HDD读写头做出反应，以防止撞击时读写头将HDD资料刮坏。同样适用于音乐播放器、电话、PDA和其他便携式电子设备，包含下降记录侦测与3轴向检测功能。5、MMA7260QIC是XYZ低g加速传感器，其特性包括：单封装3轴感应低压操作：2.2~3.6V电流消耗低（典型值：500A）休眠模式下电流消耗低(3A)模拟输出350Hz带宽g选择：1.5g,2g,4g,和6g快速的上电响应时间（1ms）QFN-16封装(6mmx6mmx1.45mm)无铅材料和绿色材料20~+85℃的工作温度具有低功耗特性，它包含一个休眠模式管脚。具有快速启动性能。它的休眠模式的唤醒时间很快，仅为0.5ms。通过将有源低电平休眠模式管脚设为高电平(Vdd)，即可实现触发，将X，Y，和Z的输出从Vss状态下恢复过来。其常规加电时间也很快，仅为1ms。5、MMA7260QIC5、MMA7260QIC通常g的范围由MCU的I/O驱动控制，在应用时如何确保获得最佳的灵敏度状态，则可以设定如果当MCU在读取感测器的时候，出现满格的状况并持续一段时间，则MCU必须设定更大的g值范围来确定是否输出还会饱和。在不同的应用时，也可以透过设定不同的g值范围来获得最佳的灵敏度状态。