三轴加速度传感器的类型、原理、特点和应用

    作者：虹科医药电子-李金涛  

        三轴加速度传感器是加速度传感器中用来测量空间加速度的传感器，即测量物体在空间中速度变化的快慢，三轴加速度传感器与单轴、两轴加速度传感器在测量原理上没有差别，他们的主要差别在于测量的维度不同，三轴加速度传感器主要是将空间加速度在X、Y、Z三个轴上进行分解，在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。

 

1. 三轴加速度传感器的类型、原理与特点：

        根据加速度传感器的实现原理，目前加速度传感器主要的类型有：压阻式、压电式、电容式三种，他们是将待测量物体的加速度转化为传感单元的电阻/电压/电容的变化，再通过转换电路将传感单元的变化数值转化为电压值，接着进行信号相应的放大以及滤波处理，将模拟量处理为合适的稳定的输出信号，此时输出的信号为电压值，最后通过ADC转换器（模数转换器），转换为数字信号。

        压阻式加速度传感器是电阻性，呈现低阻抗，具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低；压电式加速度传感器是电容性的，高阻抗，它的优点是频带宽、灵敏度高、讯噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷；电容式传感器的优点是：结构简单、适应性强、动态响应好、分辨率高、温度稳定性好、可实现非接触测量、具有平均效应，缺点是输出阻抗高，负载能力差。

       加速度传感器根据输出信号的不同，可分为：模拟式和数字式两种，两者的区别在于，模拟式输出值为电压，数字式输出值为数字信号，在具体的应用中模拟式传感器还需要加入数模转换器（ADC），但模拟式则已经集成了ADC电路，可直接通过通讯接口（SPI、I2C等）进行数据传输，在智能程度上数字式明显优于模拟式，但是高质量的ADC转换器价格昂贵甚至可能超出传感器部分的售格。

        三轴加速度传感器的特点是能够在预先不知道物体运动方向的场合下，准确且全面的测量出物体的空间加速度，并且体积小（常见的板尺寸在：3/4mm x 3/4/5mm不等），质量轻。如下为三轴传感器的一些常见参数介绍：

灵敏度：与ADC（模数转换器）等级相关，单位：mv/g（模拟式）或g(数字式)

g代表重力加速度：

解析度：表示了输入参数的最小增量

测量范围：表示传感器所能测量加速度的最大、最小值

2. 三轴加速度传感器的应用：

2.1常见应用领域【1】：

（1）汽车电子领域：

以车身安全系统为例，当车身受到撞击时，冲击传感器会在几微秒内将信号发送至该电子控制器。随后电子控制器会立即根据碰撞的强度、乘客数量及座椅/安全带的位置等参数，配合分布在整个车厢的传感器传回的数据进行计算和做出相应评估，并在最短的时间内通过电爆驱动器启动安全气囊保证乘客的生命安全。

（2）便携式设备的抗冲击防护：

便携式设备由于其应用场合的原因，经常会意外跌落或受到碰撞，而造成对内部元器件的巨大冲击。当跌落发生时，系统会检测到加速的突然变化，并执行相应的自我保护操作，如关闭抗震性能差的电子或机械器件，从而避免其受损，或发生硬盘磁头损坏或刮伤盘片等可能造成数据永久丢失的情况。

（3）卫星导航：

当进入卫星信号接收不良的区域或环境中就会因失去信号而丧失导航功能。基于MEMS技术的3轴加速度传感器配合陀螺仪或电子罗盘等元件一起可创建方位推算系统，对GPS系统实现互补性应用。

（4）虚拟现实：

例如AR/VR，游戏机手柄等，通过穿戴或手持的游戏装备、手柄，传感器同步感应人体加速度，根据加速度分析人体的动作，进而在游戏屏幕上同步呈现出相应的游戏动作，一些体感游戏甚至能达到与户外运动相同锻炼的效果。

2.2具体应用举例：

2.2.1人体跌倒监测系统【2】

       人体发生跌倒是指突发、不自主的、非故意的体位改变，一般只发生在短暂的一瞬间，在这瞬间人体的位置、速度和加速度都将发生瞬间的巨大变化，人体姿态也会发生相应变化，根据三轴加速度的数值可以计算出三个姿态角：“pitch俯仰角”，”roll左右偏侧角”，”paw竖直方向转角”，根据三个姿态角不仅可以判断出人体是否跌倒还可以得到人体姿态的具体姿态。

       以人体质点为原点，如图1所示，假设人体正前方为X轴，正左为Y轴，正上方为Z轴；那么三个姿态角的定义分别为：

       pitch: X轴与水平面的夹角，对应人体向前向后的俯仰角

       roll:Y轴与水平面的夹角，对应人体向左向右的侧偏角

       paw: Z轴与竖直方向的夹角，对应人体绕Z轴的旋转角

他们与重力在X,Y,Z,轴方向上的加速度的关系如下：

                                                                                   图1 ：参考坐标系

       根据人体跌倒与日常生活活动(ADL)中的姿态的区别来判断跌倒是否产生,人体在跌倒时大部分是前后或侧向跌倒，这两跌倒都将分别导致Pitch和Roll在短时间内发生大幅度抖动，yaw值则主要用来辅助计算人体的静止姿态。考虑到MEMS（微机电系统)传感器容易受到噪声影响，还需要利用卡尔曼滤波算法对估算的倾斜角进行优化处理，部分消除噪声对MEMS加速度传感器测量值的影响，提高测量准确性，图2为其算法流程（流程图来自参考文献1）：

                                                                 图2：人体跌倒系统算法流程图 

2.2.2 数字式三轴加速度传感器在快速准确监测机械故障方面的应用【3】 

       振动频率作为计算机械疲劳强度的重要指标，保存和评估各种类型的机器和驱动器的特征性振动，冲击和振动参数，有助于优化机械传动系统的效率，并为这些参数确定合适的目标值和平均值。一方面，这可用于质量记录和性能参数的表示；另一方面，如果与预期的“良好”振动模式有偏差，则也可以在早期识别出即将发生的损坏。

       以MSR Electronics GmbH的MSR165微型数据记录仪为例，仅有拇指大小的记录器MSR165专门用于振动，冲击和振动检测的应用。其核心传感器元件是高分辨率的三轴数字加速度计。借助该电子设备和下游相应的评估电子设备，强大的数据记录仪能够在三个空间轴（x，y，z）上每秒执行1600次冲击和振动测量，能够记录三个轴上的±15 g或±200 g的冲击载荷和振动，MSR165还可以增加存储卡扩充模块，其测量量可扩充至10亿个。 

       MSR165微型数据记录仪通过安装在待测设备上，对设备工作过程中的振动数据进行记录，然后将测量的数据导出到PC上的MSR PC软件，对振动过程的数据进行评估，MSR微型数据记录仪可在机械制造行业的所有领域中有针对性地使用，以检测和记录各种振荡模式，振动或冲击载荷，减少人为测量的误差影响。对记录的参数进行评估有助于快速，经济地进行故障诊断以及随后的机械或机电优化。最终，可以实现显着的时间和成本优势，尤其是在各种机器和驱动器的质量和可靠性方面的优势。图3为MSR PC软件的数据评估图。

                                                             图3：MSR PC软件的数据评估图

        总结：三轴加速度传感器是一种能够测量物体空间中的加速度的电子设备，根据传感器实现原理的不同，可分为压阻式、压电式、电容式等类型，这些传感器上的本质原理都是通过传感元件将物体加速度转化为其他的物理量，如电阻、电压、电容等，再通过转化和滤波电路等将这些物理量转化为合适的输出信号。三轴加速度传感器以其体积小，质量轻等特点在诸多领域应用非常广泛，例如汽车电子、卫星导航、虚拟现实、振动监测等，这些具体应用会涉及到许多额外的知识，需要足够的了解加速度与应用领域的物理量的转换关系，并据此做出一套算法流程去实施。

参考文献：

[1] 百度百科https://baike.baidu.com/item/三轴加速度计/20863147?fr=aladdin

[2]王荣,章韵,陈建新.基于三轴加速度传感器的人体跌倒检测系统设计与实现[J].计算机应用，2012,32(05):1450-1452+1456.

[3] Detecting machine trouble quickly and accurately SMM Schweizer , Maschinenmarkt magazine , July 2015 edition