第一篇：雙軸加速度傳感器ADXL202及其應用設計

雙軸加速度傳感器ADXL202及其應用設計

2009年03月29日 15:08 不詳 作者：北京交通大學 翟飛 用戶評論（0）關鍵字：

引言

ADXL202是ADI公司出品的一款雙軸加速度測量系統，模擬輸入，可測量動態加速度和靜態加速度，測量范圍為±（2～10）g，輸出為周期可調的脈寬調制信號，可以直接與單片機或計數器連接。LPC2103為飛利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工業控制、醫療系統、訪問控制、POS機、通信網關等領域。本文使用LPC2103實現對ADXL202加速度數據的采集與處理。1 ADXL202加速度傳感器

1.1 ADXL202的引腳定義及基本特性

ADXL202為單片集成電路，集成度高、結構簡單，內部包含多晶硅表面微處理傳感器和信號控制電路，以實現開環加速度測量結構。與其他加速度計相比，ADXL202可在很大程度上提高工作帶寬，降低噪聲影響，零重力偏差和溫度漂移也相對較低。圖1所示為ADXL202傳感器的引腳定義。

圖1 引腳定義

ST： 自檢，用于控制芯片自檢功能。接VDD時，輸出占空比為10%的波形，說明芯片正常工作。

COM： 引腳4、7。使用時需將2個COM端接在一起并接地。

T2： 經電阻RSET接地，調節輸出信號周期。輸出信號周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。

VDD： 電源。工作電壓范圍為+3.0～+5.25 V，可經過100 Ω的去耦電阻接電源。

XFILT、YFILT： 經電容接地，用于改變帶寬、濾除噪聲和抑制零點漂移。

Xout、Yout: 輸出。

圖2為ADXL202傳感器的內部結構原理圖。ADXL202傳感器由振蕩器，X、Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調制器組成，具有數字輸出接口和模擬電壓信號輸出接口。X、Y方向傳感器是2個相互正交的加速度傳感器，它們同時工作，可以測量動態變化的加速度和恒定的加速度。傳感器之后級連相位檢波器，主要是用來修正信號，并對信號的方向做出判斷。檢波器輸出的信號，通過一個32 kΩ 的電阻來驅動占空比調制器，通過在XFILT和YFILT 引腳外接電容CX和CY來改變帶寬。

圖2 傳感器內部結構原理圖

1.2 測量數據的計算及處理

(1)信號帶寬的計算通

過CX和CY來設定帶寬，在XFILT和YFILT引腳接上電容，通過低通濾波器來減少噪聲。3 dB帶寬的公式為：f=5 μF/C(x,y)(電容最小值為1 000 pF)(2)加速度的計算

輸出信號周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如圖3所示。

圖3 占空比信號

信號通過低通濾波器之后，占空比調制器把信號轉換為數字信號輸出。通過T2引腳的外接電阻可以改變T2的周期（0.5～10 ms），這很適于在精度要求不同的場合下使用。輸出的占空比信號通過計數器可以計算出占空比。加速度的計算可以通過下式得到：

a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）

例如，當加速度為0g時，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）相同，輸出信號的占空比為50％；當加速度為1g時，信號寬度T1與空閑寬度（T2－T1）的比值為5∶3，輸出信號的占空比為62.5％。1.3 ADXL202的典型應用

ADXL202傳感器最重要的應用之一是傾斜度的測量。在進行傾斜度測量時，需要讓傳感器的敏感軸（x軸）與重力方向垂直。如果與重力方向平行，物體傾斜對于加速度數據的影響可以忽略不計。圖4所示為加速度測量的原理圖。

圖4 加速度測量

當ADXL202與重力矢量垂直時，其輸出隨傾斜度的變化大約為每度17.5 mg，當兩者呈45°時，輸出變化值僅為每度12.2 mg，分辨率降低。表1為傾斜角度與加速度變化的關系。

表1 傾斜角度與加速度變化的關系 應用電路設計 2.1 硬件接口設計

LPC2103是一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMIS CPU，并帶有8 KB片內SRAM和32 KB嵌入的高速片內Flash內存。LPC2103具有LQFP48的較小封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、2個外部中斷、最多可達32個GPIO。通過可編程的片內PLL（可能的輸入頻率范圍：10～25 MHz）可實現最高70 MHz 的CPU 時鐘頻率。ADXL202傳感器與LPC2103的接口電路如圖5所示。

圖5 ADXL應用電路圖

ADXL202加速度傳感器的T2經125 kΩ電阻接地，可以得到信號輸出的周期為1 ms。

13、14引腳接+5 V電源，XFILT和YFILT經0.1 μF電容接地，用于設置50 Hz帶寬。兩路輸出分別與LPC2103的P0.0和P0.2引腳相接，作為數據傳輸線。數據傳輸有兩種方法，分別為普通GPIO口方式和定時器捕獲中斷方式。

2.2 普通GPIO口方式

由于傳感器輸出均為DCM信號，無論采用什么方式進行數據接收，都需要定時器/計數器工作，對DCM信號進行計時處理。因此，程序首先要對定時器進行初始化。然后分別對DCM信號的高電平和低電平持續時間進行計時，得到T1、T2的值，再進行加速度計算。由于默認情況下GPIO均為普通I/O方式，所以開始不用設置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下： #define KEY 0x00000001//X軸加速度P0.0,前向加速度 T1PR=0;//預分頻為0，使得T1TC即為pclk個數 while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低電平跳出 while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高電平跳出 T1TCR=0x03;//啟動并復位T1TC T1TCR=0x01;while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿來臨 t1=T1TC;//取此時計數器的值 T1TC=0x00;//復位計數器

while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的來臨 t2=T1TC;T1TCR=0x00;//關閉定時/計數器T1 a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//計算加速度

普通GPIO口方式的程序比較簡單，雖然程序的執行需要時間，但由于LPC2103的主頻可以達到40 MHz，執行幾條指令只需幾微秒，所以產生的誤差會很小。但普通GPIO方式程序執行時，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到來，大大降低了CPU的使用效率。可以使用圖5所示Xout與LPC2103的接口方式。2.3 定時器捕獲中斷方式

如圖5所示，Yout與LPC2103的P0.2引腳相接，利用P0.2的功能復用，可以實現定時器捕獲中斷方式接收傳感器數據。主要程序段如下： #define ya 0x00000004//引腳功能初始化

PINSEL0=0x00000020;//設置引腳連接為定時器0的捕獲通道0 PINSEL1=0x00000000;//向量中斷設置

VICIntSelect=0x00000000;//設置所有中斷為IRQ中斷 VICVectCntl0=0x24;//定時器0中斷為最高優先級

VICIntEnable=0x0010;//使能定時器0中斷定時器0初始化 T0PR=0;//預分頻為0，使T0TC即為pclk的個數

T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0為上升、下降沿捕獲，觸發中斷 T0MR0=0xFFFFFFFF;//設置匹配值 T0TCR=0x03;//啟動并復位T0TC T0TCR=0x01;//中斷服務程序 void __irq time0(void){ T0IR = 0x10;//復位定時器中斷標志 if((IOPIN&ya)==0){ t1=T0CR0;//讀取T0TC T0TC=0x00;//復位T0TC } else if((IOPIN&ya)!=0){ t2=TOCR0;//讀取TOTC T0TC=0x00;//復位T0TC } VICVectAddr =0x00;//中斷處理結束 }

中斷處理程序運行之后，得到的信號周期應為T2=t1+t2。故加速度為(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中斷服務程序大大提高了CPU的使用效率，但程序較為復雜，并且占用了一個中斷向量通道。結語

ADXL202傳感器的應用方法經過驗證完全可行，并且能夠達到較高的測量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器組成的系統完全可以用于汽車、火車等交通工具的安全控制系統。ADXL202在慣性導航、傾斜感應、地震監控及汽車保險等領域都有著廣泛的應用，精度高、集成度高、功耗低等特點使之完全可以取代傳統的加速度傳感器。

參考文獻

[1] 周立功.ARM微控制器基礎與實戰 [M].北京:北京航空航天大學出版社 ,2003.[2] ADI.Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.

第二篇：三軸加速度傳感器的步態識別系統==

三軸加速度傳感器的步態識別系統

近年來隨著微機電系統的發展，加速度傳感器已經廣泛應用于各個領域并擁有良好的發展前景。例如在智能家居、手勢識別、步態識別、跌倒檢測等領域，都可以通過加速度傳感器實時獲得行為數據從而判斷出用戶的行為情況。

目前許多智能手機都內置多種傳感器，通過預裝軟件就能夠獲得較精確的原始數據。本文提出一種基于三軸加速度傳感器，用智能手機采集用戶數據，對數據進行處理及特征提取獲得特征矩陣并分類識別的方法，有效地識別了站立、走、跑、跳四種動作。

人體動作識別處理過程主要包含數據采集、預處理、特征提取和分類器識別數據采集數據采集和發送模塊安裝在用戶端，另一個數據接收模塊接在電腦終端上。

由于我們制作的采集模塊很輕、很小，所以方便佩戴。當用戶運動時，三軸加速度傳感器會將據采集并通過無線方式發送給電腦接收模塊，再通過電腦上的軟件部分對采集到的數據進行分析處理，將結果輸出，顯示用戶的實時狀態。

本文使用的加速度傳感器數據來自于共計６０個樣本。傳感器統一佩戴于腰間。本文選取了其中一位采集者的數據用于主要分析研究，其余兩位采集者的數據則用于驗證由第一位采集者數據研究所得的結論，這樣的做法既減小了數據處理的繁雜又能保證最終結果的準確性。預處理應用程序設置的采集時間間隔為０．１ｓ，對每一個動作的采集時間為２５ｓ。考慮到用戶在采集數據一開始與將要結束時的動作不平穩可能對數據帶來較大影響，前２ｓ２ｓ采集的數據將被舍棄不予分析。因原始加速度信號一般都含有噪聲，為了提高數據分析結果的準確性，通常在原始加速度信號進行特征提取前對其進行去躁、歸一化、加窗等預處理。通過加窗處理，不僅規整了加速度信號的長度，而且方便研究人員按照需要選擇適宜的信號長度，這樣有利于后續的特征提取。

許多研究人員使所示。研究人員采集的加速度傳感器信號由于采集者的動作力度不同造成加速度信號的幅度差異較大，這會對之后的分類識別造成負面影響，歸一化技術可以調整加速度信號的幅度，按照一定的歸一化算法可以使加速度信號的幅度限定在某一數值范圍內，文獻[２]在識別跑、站立、跳和走路這四種動作時對四種動作的加速度信號進行了歸一化；文獻[３]在進行手勢識別時對手勢動作的加速度信號進行了歸一化處理。特征提取特征提取和選擇模塊的作用在于從加速度信號中提取出那些表征人體行為的特征向量，處于預處理模塊和分類器模塊之間，是人體行為識別過程中的一個重要環節，直接影響分類識別的效果。特征的提取方法具有多樣性，對于不同的識別目的，研究人員會提取不同的特征，例如為了識別分類站立和跑步，研究人員通常會選取方差和標準差這類能夠反映加速度信號變化大小的特征，而為了識別分類走路和跑步，研究人員通常會選取能量和均值這類能夠反映加速度信號大小的特征。使用不同的特征表征行為會對分類識別效果產生不同的影響，因此尋找更加有效的特征一直是研宄人員關注的一個課題。通過查閱大量的文獻，大致可以把加速度信號的特征概括為時域特征、頻域特征和時頻特征這三類本文選取了加速度的閾值作為識別不同動作的主要特征。每個加速度包含了軸的加速度信號，分別代表了前后、左右、上下這三位的加速度信號。我們都知道，人體日常行為的不同動作的劇烈程度是不相同的，動作的幅度自然不一樣。因此本文主要選取加速度的閾值作為識別不同動作的主要特征。種動作數據的其中一個窗格，每個窗格時間跨度為３ｓ。由圖個軸的加速度大小都不一樣，而每個軸的加速度大小與方向又與加速度傳感器佩戴在采集者身上的方向位置有關，因此不容易定性分析。而以合加速度的閾值作為用于主要分析的特征，則不用考慮個軸加速度的分量大小與方向，又可以使各個動作的幅值差異基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究（廣東第二師范學院物理系，廣東廣州５１０３０３）ＨｕｍａｎＡｃｔｉｖｉｔｙＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＢａｓｅｄＴｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ

摘要：提出一種基于三軸加速度傳感器的人體動作識別方法，通過對采集到的數據進行預處理，提取多種統計特征包括標準差、閾值、偏度、峰度等進行分類識別。能夠有效地識別站立、行走、跑、跳這四種人體基本日常行為動作。

關鍵詞：人體動作識別，閾值，加速度傳感器，特征提取

Abstract：Ｉｎｐａｐｅｒ,ａｍｅｔｈｏｄａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｂａｓｅｄ３Ｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｆｔｅｒｓｅｎｓｏｒｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄ,ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ,ｍａｎｙｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎ,ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ,ｓｋｅｗｎｅｓｓｋｕｒｔｏ-ｓｉｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｃｏｇｎｉｚｅｆｏｕｒｈｕｍａｎｄａｉｌｙａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ：ｓｔａｙｉｎｇ,ｗａｌｋｉｎｇ,ｒｕｎｎｉｎｇｊｕｍｐｉｎｇ．Keywords：ｈｕｍａｎａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｚｅ,ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ,ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｄａｔａ,ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ*２０１５國家級大學生創新創業訓練計劃項目“基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究資助（１４２７８１５０３７）加速度信號的加窗３１基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究（上接第３０參考文獻〔１〕張鐸．自動識別技術應用案例分析〔Ｍ〕．武漢：武漢大學出版社，２０１０：５６－６７〔２〕范書瑞，李琦，趙燕飛．Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３嵌入式處理器原理與應用〔Ｍ〕．北京：電子工業出版社，２０１１：３４－３６〔３〕汪浩．物聯網的觸點：ＲＦＩＤ技術及專利的案例應用〔Ｍ〕．北京：科學出版社，２０１０：３３－３９〔４〕Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ＧｓｍＳｔａｎｄａｒｄ：ＧＳＭ,Ｓｈｏｒｔｍｅｓｓａｇｅｐｅｅｒ－ｐｅｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌ,ＥｎｈａｎｃｅｄＤａｔａＲａｔｅｓＧＳＭＥｖｏｌｕｔｉｏｎ,ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＮｅｔｗｏｒｋ[Ｍ]．ＧｅｎｅｒａｌＢｏｏｋｓＬＬＣ,２０１１：１２１－１２３〔收稿日期：２０１５．９．１〕一目了然。合加速度：ａ＝（ａ識別分類每個合加速度值以１ｇ作歸一化處理后，合加速度都是９．８的相對值，沒有了量綱。各動作的的閾值設定如圖可以清楚地看出，站立動作的閾值都低于１．２，走的動作閾值則介乎１．２１．９之間，跑的動作閾值介乎１．９２．６之間，跳的閾值則是高于２．６。基于這種動作的閾值差異與設定值，可以設定如圖的基本算法。每３ｓ導入一次數據，每次數據的時間跨度設定為一個窗格（即３ｓ）。支持向量機ＳＶＭ（ＳｕｐｐｏｒｔＶｅｃｔｏｒＭａｃｈｉｎｅ）是Ｃｏｒｔｅｓ１９９５年首先提出的，它在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現出許多特有的優勢，并能夠推廣應用到函數擬合等其它機器學習問題中。它是建立在統計學習理論的ＶＣ維理論和結構分險最小原理基礎上的，根據有限的樣本信息在模型的復雜性和學習能力之間尋求最佳折衷，以期獲得最好的推廣能。支持向量機對于線性不可分的情況，通過使用非線性映射算法，將低維輸入空間特性不可分的樣本轉化為高維特征空間使其線性可分，從而使得高維特征空間采用線性算法對樣本的非線性特征進行線性分析成為可能。特別在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現出許多特有的優勢結束語本文提出了一種基于三軸加速度傳感器的人體動作識別研究方法，通過對數據進行歸一化、加窗等預處理，提取合加速度的閾值特征，利用支持向量機進行分類識別，有效地識別了站種動作，平均識別率能達到９５％，證明了此方法的有效性。本文未來的研究工作還可以對數據的預處理進行優化，引用更多更全面的方法對數據去躁；此外，本文對數據的特征提取仍過于單一，未來可考慮引入四分位差、偏度、峰度等特征，把走再細分為上樓與下樓，設計更嚴謹的算法，充分考慮算法的實時性與準確性，提高對各種動作的識別分類。參考文獻〔１〕ＹａｎｇＰ．Ｕｓｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅ-ｍｅｎｔｓａｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ：Ａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｅａｒｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｎｅｕｒａｌｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｓ[Ｊ]．Ｐａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｌｅｔｔｅｒｓ,２００８,２９(１６)：６４２２１３－２２２０〔２〕ＨｅＡｃｔｉｖｉｔｙｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｆｒｏｍａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｄａｔａｕｓｉｎｇＡＲｍｏｄｅｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＳＶＭＭａｃｈｉｎｅＬｅａｒｎ-ｉｎｇＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ,２００８ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＩＥＥＥ,２００８,４：２２４５－２２５０〔３〕劉蓉，劉明．基于三軸加速度傳感器的手勢識別〔Ｊ〕．計算機工程，２０１１，３７（２４）：１４１－１４３〔４〕ＨｓｕＣｈｉｈ－Ｗｅｉ,ＣｈａｎｇＣｈｉｈ－Ｃｈｕｎｇ,ＬｉｎＣｈｉｈ－Ｊｅｎ．ｐｒａｃｔｉ-ｃａｌｇｕｉｄｅｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＢｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ,２０１０,１(１)：１－１６〔５〕吳青，趙雄．一類新樣條光滑支持向量機〔Ｊ〕．西安郵電大學學報，２０１３，１８（６）：６８－７４〔６〕徐川龍，顧勤龍，姚明海．一種基于三維加速度傳感器的人體行為識別方法〔Ｊ〕．計算機系統應用，２０１３，２２（６）：１３２－１３５〔７〕衡霞，王忠民．基于手機加速度傳感器的人體行為識別〔Ｊ〕．西安郵電大學學報，２０１４．０６．０１５〔收稿日期：２０１５．８．４〕

第三篇：三軸加速度傳感器的技術原理與市場前景分析

三軸加速度傳感器的技術原理與市場前景分析

技術分類： 測試與測量| 2008-06-17

意法半導體公司模擬、功率與微機電組件產品市場經理 郁正德: EDN China

目前，隨著iPod、iPhone、Sony PS3，以及Wii等游戲和娛樂類系列消費類產品的成功和熱銷，業界普遍預測微機電系統（MEMS，Micro Electro-Mechanical System）類產品將成為半導體行業的下一個高速增長點。MEMS帶來的的操作、功耗，和尺寸上的革命性變革是其成功進入消費類電子市場的關鍵。其使更具創新性的電子產品設計成為可能，而且能給用戶帶來全新的使用體驗。

以上提到的產品中都應用了加速度傳感器作為動作操控和UI操作的接收裝置。在Wii和PS3中，加速度傳感器可以靈敏地感測游戲者的動作，并將其轉換為游戲中的虛擬人物、物品或交通工具的動作和狀態等并顯示在畫面中。iPod和iPhone中的加速度傳感器則可以根據用戶的動作而相應地對菜單進行操作，例如調整頁寬和改變內容顯示方向等。

目前3軸加速度傳感器的單位售價已降至1.5美元以下，相信在更大的需求量條件下有望突破1美元。較低的成本在以價格為主導的消費電子市場必將成為優勢之一。車身安全、控制及導航系統中的應用

加速度傳感器在進入消費電子市場之前，實際上已被廣泛應用于汽車電子領域，主要集中在車身操控、安全系統和導航，典型的應用如汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統、電子穩定程序（ESP）、電控懸掛系統等。

目前車身安全越來越得到人們的重視，汽車中安全氣囊的數量越來越多，相應對傳感器的要求也越來越嚴格。整個氣囊控制系統包括車身外的沖擊傳感器（Satellite Sensor）、安置于車門、車頂，和前后座等位置的加速度傳感器（G-Sensor）、電子控制器，以及安全氣囊等。電子控制器通常為16位或32位MCU，當車身受到撞擊時，沖擊傳感器會在幾微秒內將信號發送至該電子控制器。隨后電子控制器會立即根據碰撞的強度、乘客數量及座椅/安全帶的位置等參數，配合分布在整個車廂的傳感器傳回的數據進行計算和做出相應評估，并在最短的時間內通過電爆驅動器（Squib Driver）啟動安全氣囊保證乘客的生命安全。除了車身安全系統這類重要應用以外，目前加速度傳感器在導航系統中的也在扮演重要角色。專家預測便攜式導航設備（PND）將成為中國市場的熱點，其主要利于GPS衛星信號實現定位。而當PND進入衛星信號接收不良的區域或環境中就會因失去信號而喪失導航功能。基于MEMS技術的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創建方位推算系統（DR, Dead Reckoning），對GPS系統實現互補性應用。

硬盤抗沖擊防護

目前由于海量數據對存儲方面的需求，硬盤和光驅等元器件被廣泛應用到筆記本電腦、手機、數碼相機/攝相機、便攜式DVD機、PMP等設備中。便攜式設備由于其應用場合的原因，經常會意外跌落或受到碰撞，而造成對內部元器件的巨大沖擊。

為了使設備以及其中數據免受損傷，越來越多的用戶對便攜式設備的抗沖擊能力提出要求。一般便攜式產品的跌落高度為1.2~1.3米，其在撞擊大理石質地面時會受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設計可由設備外殼或PCB板來分解大部分沖擊力，但硬盤等高速旋轉的器件卻在此類沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤中內置3軸加速度傳感器，當跌落發生時，系統會檢測到加速的突然變化，并執行相應的自我保護操作，如關閉抗震性能差的電子或機械器件，從而避免其受損，或發生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數據永久丟失的情況。

消費產品中的創新應用

3軸加速度傳感器為傳統消費及手持電子設備實現了革命性的創新空間。其可被安裝在游戲機手柄上，作為用戶動作采集器來感知其手臂前后、左右，和上下等的移動動作，并在游戲中轉化為虛擬的場景動作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚竿等，把過去單純的手指運動變成真正的肢體和身體的運動,實現比以往按鍵操作所不能實現的臨場游戲感和參與感。此外，3軸加速度傳感器還可用于電子計步器，為電子羅盤（3D Compass）提供補償功能，也可用于數碼相機的防抖。以上提到的種種創新應用使其成為下一代產品設計中必不可少的元件。

1．姿態與動作識別

3軸加速度傳感器的應用范圍很廣，除了文中提到的游戲動作操控外，還能用于手持設備的姿態識別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設備可實現畫面自動轉向。iPod Touch就內建了此功能，設備顯示的畫面和信息會根據用戶的動作而自動旋轉。其通過內部傳感器對重力向量的方向檢測來確定設備處于水平或垂直狀態，并自動調整顯示狀態，給用戶帶來方便。

傳感器對震動的感知性能也可將以前傳統的按鍵動作變化為震動，用戶可通過單次或多次震動來進行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴展至對用戶界面元素的操控。如屏幕顯示內容的上下左右等方向的瀏覽可通過傾斜手持設備來完成。

2．趣味性擴展功能

3軸加速度傳感器對用戶操控動作的轉變還可轉化為許多趣味性的擴展功能上，如虛擬樂器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊”（Wave Message）等。虛擬樂器內置的加速度傳感器可檢測用戶對手持設備的揮動來控制樂器的節奏和音量等；骰子游戲也采用類似的原理，通過

對揮動等動作的感知來控制虛擬骰子的旋轉速度，并借助內部數學模型抽象的物理定律決定其停止的時間。

“閃訊”是一個更富有想象力的應用，用戶可利用此功能在空中進行文字編輯。“閃訊”即讓手持設備通過加速度傳感器捕捉用戶在空中模擬寫字的快速動作，主要適合較暗的環境下使用。手持設備上會安裝發光的LED，由于人眼視網膜的視覺暫留現象，其在空中揮動的動作會在其眼中留下短暫的連續畫面，完成寫字的所有動作筆順。

3．功耗控制

功耗一直是便攜設備設計中要考慮的重要因素，內置3軸加速度傳感器則使設備可通過檢測設備的使用狀況來對其用電模式加以控制，從而有效延長電池的使用時間。Thelma制程技術

成熟的制程技術是3軸加速度傳感器和其他MEMS產品在消費電子產品市場成功的關鍵之一。目前，為了達到產量及質量控制的嚴格要求，充分利用全球半導體產業界的制造和材料資源，以及生產流程控制經驗，MEMS類元器件大多采用標準的CMOS半導體制造技術，這樣不但能使其生產制造從規模經濟中受惠，還能讓MEMS元器件隨光照制程的微型化先進制程不斷演進和發展，產品體積更小。

然而在制程技術上，MEMS類組件的生產與其它一般芯片有所差異。早期的MEMS產品制造中多采用單晶硅為材料，和比較簡單且穩定的體型微加工（Bulk Micro-Machining）技術，缺點是制造成本較高。目前的制造技術比較接近集成電路半導體的制程，多采用多晶硅表面微加工（SuRFace Micro-Machining）科技，使成本有效降低，而且加工的精度和分辨率均更加出色。

各廠家的MEMS類元件制程技術雖然在工藝和加工設備上較類似，大都采用文中提到的CMOS制程與表面微加工技術，但為了與自身的生產制造特點相符，制造商往往會根據自己的經驗開發出其特有的生產加工平臺及相應的流程，以實現縮短生產周期、提高產品質量和降低加工成本的目的。

Thelma制程技術，即厚磊晶層（Thick Epitaxial Layer for Micro-Gyroscopes and Accelerometer）技術，是ST發展出的專有表面為加工制程，主要針對高靈敏度、高探測范圍的加速度傳感器和陀螺儀等MEMS元器件的生產加工。其通過運用深度蝕刻技術及犧牲層（Sacrificial-Layer）等理論，可在微型裝置中加工出能實現各種動作的精密機械機構。Thelma制程技術主要包含六個主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化

(Patterning)、犧牲層的沉積與表面圖樣化、結構層的磊晶生長、用通道蝕刻將結構層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除，與接觸金屬化沉積。

多晶硅材料具有良好的耐疲勞性及抗沖擊性，且采用CMOS制程除了能帶來較低的成本、更穩定的加工流程，芯片與傳感器的功能相獨立還保證了設計上的靈活性。獨特的Thelma技術還可提供完整的鑄模封裝，使生產出的元器件具有極可靠的物理性質，能制造出最佳的制止器（Stopper），降低電極之間的靜電摩擦等風險。與傳統工藝相比較，Thelma技術可以減少芯片面積，因而克服體型微加工過程中常見的設計局限。此外，其會生長出一塊厚度約15微米（um）的多晶硅磊晶層。該硅結構在增加厚度的同時也增加了垂直表面積，因而增大平行于基底的靜電啟動器的總電容值。

加速度傳感器技術原理

MEMS換能器（Transducer）可分為傳感器（Sensor）和致動器（Actuator）兩類。其中傳感器會接受外界的傳遞的物理性輸入，通過感測器轉換為電子信號，再最終轉換為可用的信息，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等。其主要感應方式是對一些微小的物理量的變化進行測量，如電阻值、電容值、應力、形變、位移等，再通過電壓信號來表示這些變化量。致動器則接受來自控制器的電子信號指令，做出其要求的反應動作，如光敏開關、MEMS顯示器等。

目前的加速度傳感器有多種實現方式，主要可分為壓電式、電容式及熱感應式三種，這三種技術各有其優缺點。以電容式3軸加速度計的技術原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。其主要為利用硅的機械性質設計出的可移動機構，機構中主要包括兩組硅梳齒（Silicon Fingers），一組固定，另一組隨即運動物體移動；前者相當于固定的電極，后者的功能則是可移動電極。當可移動的梳齒產生了位移，就會隨之產生與位移成比例電容值的改變。

如圖結構中，當運動物體出現變速運動而產生加速度時，其內部的電極位置發生變化，就會反映到電容值的變化（ΔC），該電容差值會傳送給一顆接口芯片（InteRFace Chip）并由其輸出電壓值。因此3軸加速度傳感器必然包含一個單純的機械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內部有成群移動的電子，主要測量XY及Z軸的區域，后者則將電容值的變化轉換為電壓輸出。

文中所述的傳感器和ASIC接口芯片兩部分都可以采用CMOS制程來生產，而在目前的實際生產制造中，由于二者實現技術上的差異，這兩部分大都會通過不同的加工流程來生產，再最終封裝整合到一起成為系統單封裝芯片（SiP）。封裝形式可采用堆疊（Stacked）或并排（Side-by-Side）。

手持設備設計的關鍵之一是尺寸的小巧。目前ST采用先進LGA封裝的加速度傳感器的尺寸僅有3 X 5 X 1mm，十分適合便攜式移動設備的應用。但考慮到用戶對尺寸可能提出的進一步需求，加速度傳感器的設計要實現更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其檢測與混合訊號單元也會朝向晶圓級封裝（WLP）發展。

下一代產品的設計永遠是ST關注的要點。就加速度傳感器的發展而言，單芯片結構自然是必然的趨勢之一。目前將MEMS傳感器與CMOS接口芯片整合的過程是最耗費成本的加工環節，如果能實現單芯片的設計，其優點不言而喻，封裝與測試的成本必然會大幅度降低。加速度傳感器選用要點

加速度傳感器針對不同的應用場景，也在特性上體現為不同的規格。用戶需根據自身的具體需要選取最適合的產品。如上文提到的汽車車身沖擊傳感器或洗衣機等家電的振動傳感器等來說，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對于硬盤的跌落和振動保護，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設備的姿態識別和動作檢測只需低頻（0~20Hz）產品即可。

線形加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程（Full Scale，FS）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿量程表示傳感器可測量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與ADC等級有關，是產生測量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入參數最小增量。

除此之外，加速度傳感器按輸出的不同還可分為模擬式和數字式兩種。其中模擬式加速度傳感器輸出值為電壓，還需要在系統中添加模數轉換（ADC）；數字式加速度傳感器的接口芯片中已經集成了ADC電路，可直接以SPI或I2C等實現數字傳輸。數字式產品在成本上也有一定優勢，因為高質量ADC通常比較昂貴，價格甚至可超過傳感器部分的單獨售價。結論

Wii憑借加速度傳感器為市場帶來前所未有的革命性的操控方式。3軸加速度傳感器為消費電子類產品，尤其是手持設備的各方面設計都帶來更多的創新性，在短期內必然會獲得市場的成功。而在未來的電子產品中，多傳感器將是一個重要的發展趨勢，其會讓電子產品在使用上更加人性化；此外，為了縮小產品尺寸和提高產品的應用價值，混合式感測器（Hybrid Sensor），如加速度傳感器與陀螺儀的集成，也必然是一個發展方向，多功能混合式傳感器必將以其較高的附加價值和用戶操控體驗占領高端市場；同時隨著技術的進步，單一功能結構的傳感器也將向低端市場推廣和普及。

第四篇：傳感器的應用和設計

傳感器的設計與應用

王皓 信息114 32311416 摘要：隨著科學技術的發展，電子技術特別是微電子技術的發展，促進了傳感與檢測技術的迅速發展，其應用領域也在迅速擴大，從人們日常生活的衣食住行到各種復雜的工程系統隨處都可以看到傳感與檢測技術的實際應用壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用

關鍵詞:傳感器;設計;應用

The design and application of the

transducer

Wanghao Information 114 32311416 Abstract：With the development of science and technology, the development of electronic technology, microelectronics technology in particular, promoted the rapid development of the sensor and detection technology, its application fields are also expanding rapidly, from the daily life of People's Daily life to all kinds of complicated engineering system everywhere can see sensing and detection technology in the practical application of pressure sensor is a industrial practice is most commonly used one kind of sensor, its widely used in various industrial control environment, involved in water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent buildings, production control, aerospace, military industry, petrochemical, oil, electric power, ships, machine tools, pipe, and many other industries, the following is a brief introduction some commonly used sensor principle and its application Key words: Sensor;Design;Application

一、應變片壓力傳感器原理與應用

力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。1.1電阻應變片的工作原理

金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：

式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m）S——導體的截面積（cm2）L——導體的長度（m）

我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。

二、電阻應變式傳感器---稱重傳感器

原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。稱重傳感器可以采用兩種不同的輸入、輸出接線方法：一種是四線制接法，另一種是六線制接法(如圖1所示).四線制接法的稱重傳感器對二次儀表無特殊要求,使用起來比較方便,但當電纜線較長時,容易受環境溫度波動等因素的影響;六線制接法的稱重傳感器要求與之配套使用的二次儀表具備反饋輸入接口,使用范圍有一定的局限性,但不容易受環境溫度波動等因素的影響,在精密測量及長距離測量時具有一定的優勢。

在稱重設備中，四線的傳感器用的比較多，如果要將六線傳感器接到四線傳感器的設備上時，可以把反饋正和激勵正接到一起，反饋負和激勵負，接到一起。信號線要注意一點就是，紅色和白色在兩種類型的傳感器上對應的輸出信號是不一樣的。

三、陶瓷壓力傳感器原理及應用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數介質直接接觸。

陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度 >2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

四、電容式傳感器---液位傳感器

原理：電容式液位傳感器系統;它利用被測體的導電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉換成相應的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機進行測量并轉換成相應的液位高度進行顯示,該系統對液位深度具有測量、顯示與設定功能, 并具有結構簡單、成本低廉、性能穩定等優點。

五、擴散硅壓力傳感器原理及應用 工作原理被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。

六、電感式傳感器---壓力傳感器

原理：電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導率不同，當壓力作用于膜片時，氣隙大小發生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個電感的變化轉化成相應的信號輸出，從而達到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種:變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量范圍大；缺點就是不能應用于高頻動態環境。變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個磁路。當有壓力作用時，氣隙大小改變，即磁阻發生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會隨著氣隙的變化而變化，從而測出壓力。在磁通密度高的場合，鐵磁材料的導磁率不穩定，這種情況下可以采用變磁導式壓力傳感器測量。變磁導式壓力傳感器用一個可移動的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導致磁性元件的移動，從而磁導率發生改變，由此得出壓力值。

七、壓電式傳感器---薄膜傳感器

原理：壓電薄膜（PVDF）是一種獨特的高分子傳感材料，能相對于壓力或拉伸力的變化輸出電壓信號，因此是一種理想的動態應變片，可加工成為高效可靠、低成本的振動傳感器、加速度計或動態開關，也可作為高音頻(>1kHz)至超聲波(可高達100MHz)的高保真傳感器。

八、藍寶石壓力傳感器原理與應用

利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯后、疲勞和蠕變現象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內），因此，利用硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。用硅-藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。

九、熱電式傳感器---紅外測溫儀

原理：是利用紅外輻射的熱效應，通過溫差電效應、熱釋電效應和熱敏電阻等來測量所吸收的紅外輻射，間接地測量輻射紅外光物體的溫度。

十、壓電壓力傳感器原理與應用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。

現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。

壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。

十一、光導纖維傳感器---分布式溫度光纖傳感器

原理：單片機接收（數據采集卡ＤＳＰ）的信號，確認需要輸出的載波信號頻率，然后向直接數字合成器（ＤＤＳ）發送指令，直接數字合成器接收該指令后，輸出對應頻率的正弦波信號，信號經過ＬＤ激光器后得到調制激光，該激光信號分為兩路，一路直接輸入雪崩二極管ＡＤＤ２，另一路經耦合器后進入傳感光纖，即為激光沿測溫光纖向前傳播的通道。同時耦合器還有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。

十二、激光傳感器原理

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。

激光與普通光不同，需要用激光器產生。激光器的工作物質，在正常狀態下，多數原子處于穩定的低能級E1，在適當頻率的外界光線的作用下，處于低能級的原子吸收光子能量激發而躍遷到高能級E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發下，處于能級E2 的原子會躍遷到低能級釋放能量而發光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質的原子反常地多數處于高能級（即粒子數反轉分布),就能使受激輻射過程占優勢，從而使頻率為v 的誘發光得到增強，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產生大的受激輻射光，簡稱激光。激光具有3 個重要特性。

高方向性（即高定向性，光速發散角小），激光束在幾公里外的擴展范圍不過幾厘米。

高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。高亮度，利用激光束會聚最高可產生達幾百萬度的溫度

十三、智能傳感器---智能溫度傳感器

原理：各檢測單元能獨立完成各自功能，并根據主控機的指令對溫濕度進行實時采集。主控機負責控制指令的發送，并控制各個檢測單元進行溫度采集，收集測量數據，同時對測量結果進行整理和顯示。其中包括單片機、復位電路、溫度檢測、報警電路、鍵盤及顯示、報警電路等部分。

低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。

下面詳細介紹下BP01型壓力傳感器及其在便攜式電子血壓計中的應用

概述

BP01型壓力傳感器是為監測血壓而專門設計的,主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝,具有高線性、低噪聲和外界應力小的特點;采用內部標定和溫度補償方式,從而提高了測量的精度、穩定性以及可重復性,在全量程范圍內,精度為±1%,零點失調不大于±300μV。BP01的主要性能參數

BP01的內部等效電路和外形封裝如圖1所示;表1所列為BP01在電源電壓Vs為5.0V、環境溫度TA為25℃時的主要性能參數。

BP01的極限參數如下： ·最大工作電壓：20VDC;·最大耐壓：1500 mmHg;·工作溫度范圍：0～70℃;·引腳焊接溫度（最大值）：250℃（2～4秒）。基于BP01的電子血壓計

3.1工作原理

用BP01構成的便攜式電子血壓計的原理電路如圖2所示,它由偏置電源電路（A1、A2）、前置處理電路（A3～A6）、顯示電路（A7）和壓力傳感器（BP01）組成,該血壓計的血壓測量范圍為0～200mmHg,分辨率為0.1mmHg,工作電源為一節9V迭層電池。現將血壓計中各主要電路的工作原理分述如下： a.偏置電源電路

電源電路由帶有內置參考電壓的雙運放LM10組成,A1構成同相放大器,A2構成跟隨器,它們的作用是將內置的參考電壓放大后用作壓力傳感器BP01的偏置電壓Vs,其Vs的值由下式決定：Vs=Vref（1+R2/R3）

式中：Vref為LM10的內置參考電壓。其值為200mV,將此值連同電路中的R2和R3的值代入上式即可求得偏置電壓Vs的值為5V。

b.前置處理電路

前置處理電路由A3～A6四個運算放大器組成,其中A3構成失調偏置電路以對電路失調進行補償;A5構成跟隨器,用于對壓力傳感器BP01的輸出信號進行隔離緩沖;A4、A6構成放大電路,其增益AV由下式決定： AV=1+（R1/RT）

若忽略失調,前置處理電路的輸出電壓Vout為：Vout=2（1+R1/RT）VIN 式中：VIN為壓力傳感器BP01的輸出電壓。c.顯示電路

顯示電路選用三位半的顯示驅動器。工作時,壓力傳感器BP01的輸出經前置處理電路放大后,由顯示驅動電路來驅動LCD,以讀出測量的血壓值。3.2調試方法

a.零壓輸出調整

在零壓輸出時,調整失調電位器RP1,在血壓計的顯示值為000.0時,即可認為完成了零壓輸出調整。

b.前置電路增益的調整

壓力傳感器BP01的滿量程輸出與偏置電壓有一定的關系,當5V偏置時,在200mmHg壓力下的輸出為10mV,其對應的顯示驅動電路的輸入為200mV,因此前置電路的增益AV為200mV/10mV,這樣,利用前面Av的計算公式即可反推出增益電阻RT的值。若選取電阻R1為10kΩ,則增益電阻RT應為1.1kΩ。調試時可先用電位器調整輸出值,再用萬用表測出該電位器的阻值,最后再換成固定電阻。

c.滿量程調整

滿量程調整時,先在顯示電路的輸入端加上200mV電壓,然后調整電位器RP2,使其讀數為199.9mmHg即可。

上調整完成之后,一般應多重復幾次,以使顯示值可靠地符合精度要求。3.3元器件的選擇

為保證測量精度,上述電路的外圍元器件的選擇也是一個不容忽視的重要環節。一般情況下,電位器RP1、RP2應選用1%精度的金屬膜多圈電位器;電阻應選用1%精度的金屬膜電阻器;電容一般選用聚脂薄膜或者云母電容。

致謝

傳感器的種類和作用多種多樣，也有不同的形式，上面介紹的只是冰山一角現在的傳感器多的讓人數不過來，有些看到后還會讓人大吃一驚，感覺相當奇妙，一個好的傳感器，關鍵是要有好的電路設計和思路，這樣才能設計出好的傳感器，才會有更好的應用。參考文獻

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第五篇：MEMS加速度傳感器簡介(最終版)

MEMS電容式加速度傳感器

學校：哈爾濱工業大學（威海）

學院：信息與電氣工程學院

專業：電子科學與技術

作者：胡詣哲090260207

紀鵬飛090260208

摘

要

本文從MEMS電容式加速度傳感器的基本原理切入，主要介紹了該類型傳感器的原理和三種主要結構：三明治式、扭擺式、梳齒式及其各自結構方面優點。同時介紹目前應用較為廣泛的集成式的基于電容原理的芯片MMA7455，主要分析了該集成傳感器的內部結構和應用。

關鍵字：MEMS，電容式，加速度傳感器，MMA7455

Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb.Different structures have their own advantages.We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications.Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA745

5一、引言

1.1 MEMS加速度傳感器簡介

MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微機電機械傳感器的簡稱，它是一種微米級的類似集成電路的裝置和工具。MEMS技術是一項有著廣泛應用前景的基礎技術。以半導體技術和微機電加工工藝設計、制造的MEMS傳感器，集成度高，并可與信號處理電路集成在一起，大大降低了生產成本，已在汽車、消費電子和通信電子領域取得極大發展。

MEMS加速度傳感器按敏感原理的不同可以分為壓電式、壓阻式、電容式、諧振式、熱對流式等。本文主要介紹MEMS電容加速度傳感器。

二、傳感器工作原理與常見結構

2.1 MEMS電容式加速度傳感器工作原理

電容式微加速度傳感器的基本結構是質量塊與固定電極構成的電容。當加速度使質量塊產生位移時改變電容的重疊面積或間距。檢測到的電容信號經過前置放大、信號調理后，以直流電壓方式輸出，從而間接實現對加速度的檢測。

如圖1所示，電容式加速度傳感器由兩塊固定電極夾著一塊活動電極。在靜止的情況下，活動電極與兩塊固定電極的距離均為d0形成兩個大小為C0的串聯的電容。

當加速度傳感器檢測加速度時，活動電極受加速度力產生位移，兩個電容的d發生變化。根據平行板電容的計算公式：

??SC?r0d

可知兩個電容的大小將發生變化。由于此時電容值和極板間隙不是線性關系，常常采用差動電容檢測方式以解決線性問題：

?C?

?r?0Sd0??d??r?0Sd0??d?2?r?0S?d2d0

上式在?d??d時成立。

圖2-1 MEMS電容式加速度傳感器工作示意圖

2.2 MEMS電容加速度傳感器的常見結構

2.2.1三明治式

所謂“三明治”結構，就是指檢測質量夾在兩塊玻璃片之間的結構形式，如圖3-1所示。固定電極分布在活動電極兩邊，敏感質量塊的上下兩面均作為動極板。當有加速度作用時，敏感質量塊發生擺動，一對電容極板間的間距變大，而另一對電容極板閉的問距變小，從而形成差動檢測電容。這種結構需要雙面光刻，加工工藝設備較多．器件加工制造難度較大：井因為懸臂支撐梁所能承受的應力有限，這種傳感器所能測量的最大加速度值較小。

圖2-2三明治式電容加速度計結構示意圖

2.2.2 扭擺式

扭擺式是基于三明治式，扭擺式微加速度計的兩個固定電容極板設計在活動極板的同一側形成的。由圖3—2扭擺式微加速度計的結構可以看出，位于支承彈性粱兩邊的敏感質量和慣性矩不相等，當有垂直于基片的外界加速度作用時，敏感質量片將圍繞支承彈性粱扭轉，結構電容大小發生變化，一對結構電容增大，一對結構電容減小．從而形成結構差動電容，測量此差動電容值即可得到外界輸入的加速度載荷大小。這種傳感器結構比較簡單，不需要雙面光刻．且能進行較大加速度值的測量。

圖2-3 扭擺式電容加速度計結構示意圖

圖2-4 蹺蹺板式扭擺式電容加速度計結構示意圖

2.2.3疏齒式

梳齒式電容加速度計利用若干對梳齒形狀的電極形成檢測電容和加力電容，它的一個明顯優點就是利用增加電極數的方式來增大檢測電容。梳齒有定齒和動齒兩種，定齒固定在基片上，動齒則附著在檢測質量上。檢測質量由彈簧支撐于基片上。當有外部加速度輸入時，動齒隨同檢測質量一起運動，并產生微位移，引起動齒與定齒之間電容的變化，電容的變化量可以通過檢測電路檢測出來，進而檢測出微位移和輸入加速度的值。其鍵臺強度高、面積大、難度低，鍵臺接觸電阻小、均勻且成品率高，提高了加速度計的分辨率和精度。但是結構相對比較復雜，加工起來難度較大。

圖2-5 疏齒式電容加速度計結構示意圖

三、MMA7455三軸加速度傳感器

3.1 MMA7455內部結構

MEMS加速度傳感器主要有兩部分：微電子技術加工的電容性機械系統（Micro Electro Mechanical System）和帶有閉環反饋的信號轉換控制系統ASIC（Application System Integrated Circuit）。MMA7455內部由三軸加速度傳感器、多路開關、C—V轉換器、放大電路、AD轉換、以及控制電路與輸出

驅動電路，如圖3-1所示。

圖3-1 MMA7455內部結構

3.2 MMA7455應用

3.2.1 MMA7455加速度測量

MMA7455可以設置三種模式2g、4g和8g，不同模式下測量精度不同輸出也不同。根據三軸檢測數據的輸出與芯片工作模式可以計算出不同軸方向加速度分量大小，最后求出加速度方向與大小。圖3-2為2g模式下芯片不同放置X、Y、Z的輸出。

圖3-2

由圖可以看出芯片縱向為X軸方向，橫向為Y軸方向，垂直方向為Z軸。對于傳感器模式的選擇及g值的選擇強調不同的應用環境。一般來說1.5g適合自由落體與精確的傾斜補償的應用，2g適合手持運動檢測與游戲控制器，4g適合低振動監控、運輸與處理，8g適合高震動監控與較高震動的讀取。合適選取模式可以獲得較高的精確度。

3.2.2 MMA7455傾角測量

加速度傳感器可以用于多種場合的檢測與監控，如傾斜度的偵測、運動檢測、定位偵測、震動偵測、振動偵測以及自由落體等。利用三軸加速度傳感器計算單軸傾角。圖3-3是傾角測量圖解。這時加速度輸出與傾角的關系

所以γ可以用反正切方程求的

圖3-3傾角測量圖解

四 總結

本文介紹了電容式微機械加速度傳感器工作原理，結構組成以及飛思卡爾半導體公司的MMA7455三軸加速度傳感器芯片內部組成、測量應用等。電容式加速度微傳感器具有靈敏度高、直流響應和噪聲特性好、溫漂低、低溫靈敏度好、功耗低等優點。

參 考 文 獻

[1] 劉曉寧《半導體傳感器》 哈爾濱工業大學（威海）2011

[2] 孫以材編著 《微電子機械加工系統(MEMS)技術基礎》 冶金工業出版社 2009 [3] Sadra/Smith 《Microelectronics Circuits》電子工業出版社2006

[4] 王巍等 基于微機械傳感器的傾角傳感器 2010

[5] Freescale Semiconductor, Inc.MMA7455 Device User Guide.