超越LED闪烁!更多了解电子制作“N讲”【第2篇】

加速度传感器的原理

 

第1篇:ToF距离传感器的原理

本系列连载旨在从基础开始扎扎实实地学习正确的知识,以便能够长期享受电子制作。为我们分享的嘉宾是日本金泽大学电子信息通信学教授秋田纯一先生,他的讲解非常通俗易懂。在值得纪念的第1篇中,为我们介绍了ToF距离传感器的原理,在第2篇中,将介绍加速度传感器。

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目录

  1. 什么是加速度?
  2. 与陀螺仪和罗盘配套使用
  3. 加速度传感器的使用方法
  4. 加速度传感器的原理
  5. 扩展到气压计和麦克风
  6. 总结

 

1. 什么是加速度?

在您用微控制器创建作品的时候,是不是经常遇到希望作品根据“运动”而执行相应动作的情况?例如,当摇动它时颜色会发生变化,当倾斜它时会发出声音……在这种情况下,通常可以使用所谓的“加速度传感器”来实现。加速度传感器也分为不同的类型。比如,当您在Switch Science网站上搜索“加速度传感器”时,就会出来近150种产品。

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Switch Science的产品页面

 

那么,加速度传感器可以测量的“加速度”到底是什么样的物理量呢?可能很多人会理解为“运动”或“冲击强度”,下面让我们先来了解一下加速度。当您打开物理教科书时,上面通常会这样写着:

    • 物体位置随时间的变化(时间微分)就是速度(单位:[m/s])
    • 物体速度随时间的变化(时间微分),即位移对时间的二阶微分就是加速度(单位: [m/s2])

用公式来表达时是这样的(不擅长公式的可以忽略。准确地说,x、v、a通常是三维向量):

  • 相对于位置x,速度v=dx/dt,加速度a=d2 x/dt2

 

另外,该加速度a与施加在物体上的力F成正比。也就是说,如果物体的质量是m,那么F=ma(称为“运动方程”)。
换句话说,只要能检测出加速度,就可以求得施加在物体上的力。

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重力加速度

 

顺便提一下,由于重力也是作用在物体上的力,因此也会产生加速度(重力加速度:9.8[m/s2])。换言之,通过测量静止(准确地说是加速度为零=匀速运动)物体的三维加速度,可以知道该物体相对于水平面的倾斜度(方向)。

此外,微分和积分是互逆运算的关系,因此,如果对位置进行微分计算,将得到速度值;如果对速度进行积分计算,则得到位置值。另外,对加速度进行两次积分可以获得位置值。也就是说,只要能测量出加速度,就可以求得物体的速度和位置。

获取物体位置的方法有多种,例如,如果是在户外,可以使用GPS进行测量,不过也有通过加速度求位置的方法。这种方法称为“航位推测(Dead Reckoning)法”,但实际上精度不是太高(因为这是通过数值计算来进行时间积分的,所以误差会累积),而且用很长时间求位置并不方便实际应用(多通过其他方法定期校正来使用)。

 

2. 与陀螺仪和罗盘配套使用

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陀螺仪

 

经常与加速度传感器配套使用的传感器有“陀螺仪”和“罗盘”。

陀螺仪用来测量旋转物体的转速(角速度),在测量物体的方向和运动时,通常与加速度传感器结合使用。另外,罗盘通过检测地磁来测量方向(方位),其原理与指南针相同。与其他传感器不同,它的一个主要特点是可以测量相对于北方或南方的朝向(朝向的绝对值),而使用加速度传感器和陀螺仪,只能得到从开始测量时的变化量=相对值。

顺便提一下,加速度传感器与陀螺仪相结合的传感器通常称为“六轴传感器”,再配上罗盘的传感器通常称为“九轴传感器”。加速度、陀螺仪(角速度)和罗盘(方位)都是在三维空间中具有x、y、z三个分量的产品,都是三轴传感器。

 

3. 加速度传感器的使用方法

抱歉,基础知识类的内容有点长了。我想大家已经知道可以用加速度传感器测量哪些物理量了,下面我们来了解一下实际使用方法。例如,在Switch Science网站可以买到Grove标准的模块,与Arduino和Raspberry Pi等配合使用很方便。

https://www.switch-science.com/catalog/823/

与微控制器配合使用时的使用方法与其他传感器大致相同,例如,与Arduino配合使用时,流程通常是先安装库,然后打开示例草图并运行。

Arduino的加速度传感器示例草图例

 

顺便提一下,过去根据加速度的大小输出电压的产品类型(模拟输出)很多,这类产品必须使用x、y、z轴三个轴的A/D转换器(模拟输入端口)。然而,最近大部分产品都可以像其他传感器一样直接连接I2C总线使用了。

 

4. 加速度传感器的原理

直到最近,加速度传感器才变得更易于使用。这是因为微细加工技术的进步在其中发挥了重要作用。

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加速度传感器的原理

 

加速度传感器的测量需要使用上图所示的结构。当施加加速度时,就会被施加因加速度产生的力(惯性力),从而产生变形。这样,图中虚线包围部分的距离会发生变化。这部分可以看成是两个导体相对的结构,也就是一个电容器,其距离的改变意味着电容器的电容量发生了变化。可能有些人还记得在高中物理中学过的平行板电容器C的公式C=ε S/d。

测量电容器容量变化的方法有很多。其中包括测量振荡电路频率变化的方法,以及测量恒流充电时电压变化的方法。电容器的电压V可以根据与存储的电荷Q的关系,通过V=Q/C求得。

在半导体芯片内部形成这种结构的技术称为“MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)”,随着半导体加工和制造技术的进步,在1990年左右达到了投入实际应用的水平。使用这种技术可以制作约10μm的非常小的结构。这使得在半导体芯片上不仅可以创建电气电路和电子电路,还可以创建处理力等物理量的结构。

第一款采用这种MEMS结构的加速度传感器产品是ADI公司于1993年推出的ADXL50。

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ADI公司ADXL50的传感器部分(来源:https://www.slideserve.com/Rita/natural-frequency-of-a-cantilever-beam-with-an-end-mass

 

一旦能够将MEMS集成到半导体芯片中,处理从中获得的信号就是电子电路的擅长领域了。随着半导体芯片中集成的功能越来越多,比如放大、降噪、A/D转换,甚至与I2C等数字控制信号的接口,最近的产品已经能够很轻松地进行高精度测量了。

顺便提一下,前面介绍的角速度传感器陀螺仪也采用了MEMS结构。角速度是通过角速度产生的“科里奥利力”引起的结构变形来测量的。

 

5. 扩展到气压计和麦克风

具有MEMS结构的传感器还有其他产品。例如,测量大气压的气压传感器也测量压力带来的结构变形。如今,这些气压传感器也变得越来越易于使用。

另外,最近越来越多拾取空气中振动(即音源)的麦克风也开始采用MEMS结构。MEMS结构的麦克风比以前常用的动圈式和电容式麦克风更小型、更便宜。其中,模拟电压输出和脉冲密度根据音量而变化的PDM(Pulse Density Modulation=脉冲密度调制)输出的产品比较多。

模拟输出MEMS麦克风示例
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-08940/

PDM输出的MEMS麦克风示例
https://www.switch-science.com/catalog/6620/

 

6. 总结

本系列连载将为大家介绍传感器的工作原理。在第2篇中,介绍了加速度传感器,怎么样?您了解这种传感器了吗?下一篇将为您介绍温度传感器。

 

 

本系列连载的内容

第1篇:ToF距离传感器的原理
第2篇:ToF距离传感器的原理
第3篇:温度传感器的原理
第4篇:认识光电鼠标芯片
第5篇:认识芯片〜兼容芯片的世界〜
第6篇:了解源代码〜GPIO篇〜
第7篇:了解源代码〜analogWrite篇〜
第8篇:了解源代码〜出了点问题篇〜

 

秋田纯一
秋田纯一

日本金泽大学电子信息通信学教授。从小在焊料的烟雾中长大,长大后走上了集成电路研究的道路。爱好电子制作,为了使集成电路成为创客们的工具,正在研究制作LED闪烁用LSI视频等。另外,作为创客,还热衷于“徒劳的抵抗”(無駄な抵抗)系列杯垫等的创作。喜欢的焊料是Pb:Sn=37:63,喜欢的工艺是CMOS0.35um。

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  9. 电机的种类有哪些?电子制作中使用的电机种类介绍

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