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加速度、陀螺仪传感器工作原理
来源:csdn 发表于 2023/3/2

加速度传感器

g-sensor(gravity sensor),重力传感器,又名加速度传感器(accelerometer),是能感知加速度大小的mems传感器。

工作原理

如图中的模型, 一个质量块两端通过弹簧进行固定。在没有加速度的情况下,弹簧不会发生形变,质量块静止。当产生加速度时,弹簧发生形变,质量块的位置会发生变化。 弹簧的形变量随着加速度的增大而增大。在弹簧的劲度系统 k 和质量块的质量 m已知的情况下,只要测量出弹簧的形变量,就可以求出系统的加速度。

g-sensor内部有 finger sets, 用来测量产生加速度读时质量块的位移。 每一个finger set 相当两个电容极板, 当有加速度时质量块会产生相对运动,而位移的变化会导致差分电容的变化。

具体的差分电容检测和计算加速度过程由g-sensor内部完成,我们只需要直接读取其转化后的值即可。g-sensor输出值也不是直接的加速度值,它的计量单位是通常用g表示,1g代表一个重力加速度,即9.8m/s^2。1g=1000mg。

这里用一个例子再次强调一下g-sensor的输出值是根据其内部质量块的位移计算得出的:
将g-sensor的z轴垂直向地,静止放置在水平桌面上,此时g-sensor芯片是静止的,虽然芯片整体加速度为0g,但是读取其输出值,x/y轴输出为0g,z轴输出为1g。因为内部质量块在重力加速度的作用下,产生了位移。


g-sensor重要参数
测量范围 measurement rang

测量范围是传感器可以支持的输出加速度范围,通常用±g 表示。这就是g-sensor可以测量并准确输出的最大加速度。例如,一个测量范围是±8g g-sensor,它的输出一直到加速度达到±8g 时是线性的。
灵敏度 sensitivity

灵敏度表示传感器输出随加速度(输入)变化的比例,它定义理想情况下加速度和传感器输出的直线关系。数字输出的传感器的灵敏度通常使用 lsb/g 或mg/lsb 表示。例如,一个灵敏度为4mg/lsb的g-sensor,若其z轴输出为100,则可计算出z轴加速度为400mg。
0g偏移 0g-offset

0g 偏移置表示在没有加速度(零输入)时输出的测量值。模拟输出的传感器通常使用伏特或毫伏表示,数字输出的传感器使用码字表示。

不同型号的g-sensor的 0g-offset 不同,同一型号的不同芯片的 0g-offset 也不同,甚至同一颗芯片中不同轴的 0g-offset 也不同,是否需要校正要视具体应用而定。如果应用中只关心加速度的相对变化,而不关心加速度的具体数值,则不需要校正。如果是关心加速度的具体数值,而所选器件的 0g-offset 又比较大,则必须要校正。

某些g-sensor本身有 offset 寄存器,这是只需要把待校准的轴沿水平方向静止放置,测量其 0g 时的输出,并把这个值乘以-1 写入 offset 寄存器即可。如果g-sensor本身没有 offset 寄存器,则需要用户在自己的处理器中记录这个数值,并在实际的测量结果中减去这个 offset。
输出速率 odr

*odr(output data rate),表示g-sensor的输出数据的刷新频率。*odr越高,输出数据更新越快,功耗越高。g-sensor的odr往往都是可以配置的。


工作模式

陀螺仪传感器的原理

首先了解一下mems加速度计的原理,简图如下图所示,其中质量块mass被弹簧springs支撑,使得其只能沿着预定方向位移,从而检测特定方向的加速度;绿的部分是固定的电极板fixed plates。检测原理是当质量块感受到加速度时,会在相应方向产生位移,从而使得固定电极板构成的两个平行板电容器c1,c2的电容大小发生改变,检测其电容值大小即可换算成相应的加速度

**陀螺仪工作原理简介:**mems陀螺仪的检测原理与mems加速度计类似,它基于科里奥利效应(coriolis effect)所产生的科里奥利力(coriolis force)而设计的。

如下图所示,mems陀螺仪的核心是一个微加工机械单元,其讯号调节电路可以分为马达驱动和加速度计感测电路两个部分。其中,马达驱动部分是透过静电引动方法,产生一个音叉机制共振运动,为机械元件提供激励;科里奥利力把角速率转换成一个特定感测结构的位移,通过位移产生电容变化,感测部分透过测量电容变化来测量科氏力在感测质量上产生的位移。因为位移大小与所施加的角速率大小成正比,以此可以获得角速度和角加速度量
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