加速度传感器 陀螺仪传感器：3轴陀螺仪传感器和3轴加速度传感器的工作原理

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　　引言
本文引用地址：
　　微机电系统(MEMS)将机械和电子元件集成在微米级的小型结构中。利用微机械加工将所有电气器件、传感器和机械元件集成至一片共用的硅基片，从而由半导体和微加工技术组合而成。MEMS系统的主要元件是机械单元、检测电路以及ASIC或微控制器。本文简要介绍MEMS加速度计传感器和陀螺仪，讨论其工作原理、检测结构以及目前市场的热点应用，对我们日常生活具有深远的影响。
　　1 MEMS惯性传感器
　　MEMS传感器在许多应用中测量沿一个或多个轴向的线性加速度，或者环绕一个或多个轴的角速度，以作为输入控制系统(图1)。
　　MEMS加速度计传感器通常利用位置测量接口电路测量物体的位移，然后利用模/数转换器(ADC)将测量值转换为数字电信号，以便进行数字处理。陀螺仪则测量物体由于科里奥利加速度而发生的位移。
　　2 加速度计工作原理
　　根据牛顿第二定律，物理加速度(m/s2)与受到的合力(N)成正比，与其质量(kg)成反比，加速度方向与合力相同。
　　值得注意的是，加速度计的作用力检测单元捕获产生加速的力。所以，加速度计实际测量的是力，而不是加速度;基本上是通过测量施加在加速度计其中一个轴向的作用力间接测量加速度。
　　加速度计也是一种机电装置，包括孔、空腔、弹簧和管道，机械加工采用微加工技术。加速度计采用多层晶圆工艺，通过检测物体重心相对于固定电极的位移测量加速力。
　　3 加速度计的检测单元
　　加速度计常见的检测方法是电容检测，其中加速度与运动产生的电容变化相关(图2)。这种检测技术的优点是高精度、高稳定度、低功耗，以及结构简单，不容易受噪声及温度波动的影响。由于电容式加速度计的物理结构(弹簧)以及IC内的空气作为阻尼器，其带宽只有几百赫兹。
　　ε0=自由空间的介电常数
　　εr=电极板之间的材料的相对介电常数
　　A=电极板之间的重叠面积
　　D=电极板之间的距离
　　电容结构可以为单侧或差分对。我们以差分对加速度计为例进行介绍(图3)。加速度计包括单个可移动物体(一个表面)，物体沿着弹簧方向放置，介于两个固定的硅基片或电极(另一平面)之间。显而易见，物体相对于固定电极(d1和d2)运动(Motion x)，造成电容发生变化(C1和C2)。通过计算C2和C1之差，得出物体重心的位移及其方向。
　　可移动物体的位移(微米)是由于加速引起的，造成电容发生极其微小的变化，可正确检测到这一变化(式1)。这种方式需要使用多个可移动和固定电极，采用并联配置;可产生更大的电容变化，提高检测精度，并最终使电容检测技术更加可行。
　　上述过程可简单归纳为：作用力导致物体发生位移，进而发生电容变化。将多个电极并联，可获得更大的电容变化，更容易检测到位移(图4)。V1和V2连接至电容的每侧，电容分压器的中心连接到物体。

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加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球...

发表于 2017-06-07 16:04
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加速度传感器的分类、工作原理与内部结构

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组...

发表于 2017-06-07 11:53
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手机传感器最全的资料，就在这里了！

手机中的传感器是指手机上的那些能够通过芯片来感应的元器件，如反应距离值、光线值、温度值、亮度值和压力...

发表于 2017-01-10 16:00
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加速度传感器在铁路交通中的应用

自铁路出现以来，火车便在陆地交通运输中担当着举足轻重的角色。尤其是随着社会的快速发展，资源流通的频率...

发表于 2017-01-05 17:25
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加速度传感器工作原理及应用

可穿戴设备当中传感器至关重要，其中的加速度传感器能够完成位置及姿势的识别。本文通过对三轴传感器工作原...

发表于 2016-12-28 15:16
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加速度传感器的选型、安装、排障

随着智能手机等消费类电子的普及，要求设备具备更高的功能和可设计性，加速度传感器为满足使用中的工况环境...

发表于 2016-11-29 14:57
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三轴加速度传感器应用详解

加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪改进过来的。另一种就是线加速度传感器。它也可以按...

发表于 2016-11-29 13:45
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加速度传感器的选型、安装、排障（典藏）

加速度传感器为满足使用中的工况环境和量程、精度等需求，要做正确的选型，我们来了解一下加速度传感器有哪...

发表于 2016-11-29 13:36
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细数加速度传感器的7大应用场景

加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪改进过来的。另一种就是线加速度传感器。它也可以按...

发表于 2016-11-24 17:13
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应用辐射各行各业 传感器市场即将爆发

在万物互联时代，传感器是其中最关键的组件之一。据国家统计局统计数据显示，2016-2021年，受物联...

发表于 2016-11-24 10:27
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加速度传感器工作原理及分类

加速度传感器是一种能够测量加速力，将加速度转换为电信号的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在...

发表于 2016-11-22 11:50
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加速度传感器的应用详解

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速度传...

发表于 2016-11-15 11:25
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加速度传感器的几种应用

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速度传...

发表于 2016-05-23 18:00
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详解加速度传感器的几种应用

现在，加速度传感器广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探...

发表于 2015-04-27 09:58
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基于智能手机的人体跌倒检测系统

目前，跌倒检测方法最常见的是视频图像分析法和穿戴式装置检测法。##Android是一个开源移动操作系...

发表于 2015-01-30 11:35
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基于MEMS加速度传感器五大功能简化用户设计

随着苹果iPhone和任天堂Wii游戏机的流行，加速度传感器在消费类电子设备中得到了广泛的应用。

发表于 2014-07-15 16:16
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浅析加速度传感器在高速铁路中的应用

随着高速铁路飞速发展，在时速超过350km／h的高速铁路线路上，列车的测速定位问题显得越来越重要。测...

发表于 2014-07-15 15:17
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基于加速度传感器的低功耗冲击记录仪的实现

随着微电子技术的迅速发展，特别是电子加速度传感器技术和单片机技术的迅猛提高，电子智能型冲击记录仪应运...

发表于 2014-07-15 14:57
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基于BP神经网络的手势识别系统

本文给出了采用ADXL335加速度传感器来采集五个手指和手背的加速度三轴信息，并通过ZigBee无线...

发表于 2014-07-14 10:55
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基于C8051F020与传感器的振动信号分布式检...

介绍了C8051F020及MXA2500GL的性能特点，并给出了振动信号分布式检测的架构及实现。

发表于 2014-07-13 11:43
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手机上那些你所不知道的传感器

现在的手机越来越多功能，尤其是移动互联网的发展，使手机的进步更是迅速。人们对手机的要求已经不局限于以...

发表于 2014-07-11 13:23
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基于加速度传感器MMA7260QT的自动摇篮设计

照顾小宝宝是非常劳累的事情，因为他们醒来和睡觉都比较频繁，加之喂食换衣服等活动，会占用大人大量的时间...

发表于 2014-07-10 09:07
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加速度传感器ADXL50在导弹行军中的应用

在导弹车载行军过程中，车上的导弹会受到各种振动的冲击影响，这种振动冲击如果过大则会造成导弹的损伤或损...

发表于 2014-07-08 14:58
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传感器在笔记本防盗器中的应用

近年来针对笔记本等个人贵重物品被盗时有发生这一现状,设计出一种基于加速度传感器的低功耗无线防盗器。

发表于 2014-07-07 20:19
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飞思卡尔MMA955xL: Xtrinsic运动...

飞思卡尔的Xtrinsic MMA955xL智能运动传感平台用于移动设备，是业界第一个集成了MEMS...

发表于 2014-01-22 15:12
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飞思卡尔FXOS8700CQ6轴数字传感器：3D...

飞思卡尔FXOS8700CQ 6轴Xtrinsic传感器在小型3 x 3 x 1.2 mm QFN塑...

发表于 2014-01-22 14:32
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ADXL362：一款超低功耗、3轴MEMS加速度...

ADXL362是一款超低功耗、3轴MEMS加速度计，输出数据速率为100 Hz时功耗低于2 μA，在...

发表于 2014-01-22 10:28
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可穿戴设备中的传感器分类与国内供应商一览

IMS研究指出，保健和医疗领域的可穿戴设备占据今年60%市场份额，未来的份额可能会进一步提升。可穿戴...

发表于 2013-10-24 10:28
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打造智能传感器平台 软件成熟度是关键

除了融合多种传感器的硬件技术之外，飞思卡尔市场经理高小龙还强调，对于多合一及智能传感器平台，软件方案...

发表于 2013-08-09 08:53
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三轴加速度传感器在智能车控制与道路识别中的应用

三轴加速度传感器MMA7260Q可以测量智能车惯性大小，选取最佳重心位置，并能准确定位智能车处于直线...

发表于 2013-07-02 17:01
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汽车、消费、医疗商机看涨 ADI争当MEMS先锋

受益于我国汽车电子、新型数字消费电子和医疗电子等产业的快速发展，国内市场对传感器的需求呈现出快速增长...

发表于 2013-04-27 09:32
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MEMS加速度传感器 打造下一代智慧生活

现今在社会大众的生活周遭，我们已经不知不觉的在享受MEMS传感器所带给我们的所有便利以及生活安全上的...

发表于 2013-03-14 16:52
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TI展示革命性鼠标样品：可悬空操控的“三维”鼠标

德州仪器展示了一款革命性的鼠标样品，它是真正的“三维”鼠标，不需要任何介质便可悬空操控。

发表于 2013-03-12 11:13
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加速度计应用于笔记本电脑硬盘保护

本文介绍利用加速度传感器判断硬盘是否剧烈震动、跌落，及时调整硬盘读写磁头到安全区，达到保护目的。下面...

发表于 2013-02-02 09:45
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加速度传感器 陀螺仪传感器：陀螺仪和加速度传感器

今天找pid的资料突然找到了一个，然后发现了一个平衡车的教程，所以就记录了下来，方便以后看，下面有链接所以可以去看一下这个网站。

1. 加速度传感器
加速度传感器，有些人也叫它加速度计，你只要记住其实是一个东西两个名字而已。

加速度传感器，顾名思义，用于测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。

为了方便理解，我将加速度分为两种：由地球引力产生的重力加速度，只要地球还在，重力就不会消失；由物体运动产生的运功加速度，根据牛二定理，只要有外力作用，便产生加速度。加速度传感器测量的是这个加速度的总和。物体静止加速度计测量的就是重力加速度。

2.陀螺仪
陀螺仪，没错，它就只叫陀螺仪，没有其他名字。
陀螺仪，顾名思义，你猜不出它是干嘛的也很正常。但是，现在你要记住了，陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。

我们小时候玩四驱车的时候，常说这个电机转每秒很牛逼，单位转/秒，那你怎么知道它转每秒，它这样写你就信了？如果我们有陀螺仪，把陀螺仪挂到电机轴上，那么陀螺仪测量的是旋转角速度，再除于三百六十度（一转）就可以知道这个电机转速了。实际上我们不会这样测转速-。 -，这里仅举个例子让你明白陀螺仪是干啥的。
陀螺仪利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理。在陀螺仪中利用压电陶瓷做成振动单元，当旋转（陀螺仪）时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。
要获得角度，就需要对陀螺仪角速度进行积分Angle+ 。Angle是带有正负的，正值表示按正向旋转，负值表示按负向旋转。具体怎么定义正负方向，就得看你的运用了。

图5 MPU-6050方向正负示意图
由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小 的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步 增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信。如图6所示。

为什么要用加速度计和陀螺仪两个传感器？
似乎只需要加速度传感器就可以获得车模的倾角，再对此角度值进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车体运行过程中，由于车体本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车体的倾角，如图7所示。

图7 车体运动引起加速度信号波动

由于陀螺仪输出的是车体的角速度，不会受到车体运动的影响，因此该信号中噪声很小。车体的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。

由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，如图8所示。

图8 陀螺仪积分误差

如何消除陀螺仪的累积误差呢？

一种简单的方法就是通过加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比陀螺仪积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。

一言蔽之，陀螺仪噪声很小，角速度数据精准，通过积分得到角度，但是长期积分会产生累积误差，需要加速度传感器来校正此误差，获得正确的姿态数据。

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