【導(dǎo)讀】加速度傳感器能夠測(cè)量各個(gè)方向上的加速度，由此可以計(jì)算出傾斜角，這在汽車(chē)、可穿戴設(shè)備以及到工業(yè)系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。本文介紹單軸加速度傳感器應(yīng)用過(guò)程中的兩個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及Digi-Key網(wǎng)站資源在加速度傳感器選型、設(shè)計(jì)方面相關(guān)的資源，希望能夠助力小伙伴們做好設(shè)計(jì)。
單軸加速度傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是什么？
單軸加速度傳感器檢測(cè)傾斜角時(shí)，檢測(cè)軸垂直于重力平面還是平行于重力平面?
單軸加速度傳感器可以用在比較簡(jiǎn)單應(yīng)用，比如簡(jiǎn)單的有限角度傾斜角檢測(cè)。以檢測(cè)汽車(chē)的傾斜角來(lái)舉例，為了防止汽車(chē)側(cè)滑和翻車(chē)，一般汽車(chē)會(huì)采用一個(gè)加速度傳感器來(lái)檢測(cè)汽車(chē)的傾斜角。此時(shí)檢測(cè)軸應(yīng)該垂直于重力平面。因?yàn)闄z測(cè)軸與重力平面垂直時(shí)，加速度傳感器對(duì)于小角度變化的敏感度比較高，而汽車(chē)傾斜的角度一般不會(huì)太大。下面我們對(duì)比這兩種安裝方式的區(qū)別。
如下圖，坡度角θ。下圖左邊，檢測(cè)軸X軸垂直于重力平面（坡度為0時(shí)），此時(shí)加速度傳感器的輸出Ax=sin(θ)*1g。下圖右邊，檢測(cè)軸Z軸平行于重力平面（坡度為0時(shí)），此時(shí)加速度傳感器的輸出Az=cos(θ)*1g。
圖1. X軸和Z軸加速度傳感器安裝示意圖
我們把這兩種方式集中到一個(gè)圖。來(lái)對(duì)比兩種方式下，加速度傳感器的輸出變化。下圖中，紅色線段的長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)檢測(cè)軸垂直于重力平面時(shí)，加速度傳感器的輸出。綠色線段的長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)檢測(cè)軸平行于重力平面時(shí)，加速度傳感器的輸出。
圖2. 重力加速度在檢測(cè)軸上的分量
可以看出，當(dāng)θ從0°到30°變化時(shí)，紅色線段變化明顯，而綠色線段則變化不明顯。可以看出在傾斜角小角度變化時(shí)，檢測(cè)軸垂直于重力平面的安裝方式，得到的靈敏度更高。現(xiàn)實(shí)世界中，道路上的絕大多數(shù)斜坡坡度不會(huì)超過(guò)30°。因此在檢測(cè)汽車(chē)傾斜角的方案中，如果使用單軸加速度傳感器，設(shè)置檢測(cè)軸方向垂直于重力平面方向比較合適。當(dāng)然，如果傾斜角度在60°到90°范圍內(nèi)，由于加速度傳感器與傾斜角度成sin（θ）函數(shù)的關(guān)系，加速度傳感器對(duì)角度變化的敏感度降低。
如何根據(jù)應(yīng)用要求，來(lái)計(jì)算單軸加速度傳感器最小靈敏度?
假設(shè)實(shí)際應(yīng)用要求傾斜角檢測(cè)范圍在-63°到+63°之間，并且檢測(cè)結(jié)果可以精確到1°。首先，引入增量靈敏度慨念，增量靈敏等于每個(gè)傾斜角步進(jìn)對(duì)應(yīng)的輸出增量，單位以mg顯示。S[g] = 1g*(sin(θ+P)-sin(θ))，（θ為當(dāng)前角度，P為步長(zhǎng)），增量靈敏度反應(yīng)了輸出變化大小。設(shè)傾斜角度θ為X, 對(duì)應(yīng)的增量靈敏度S[g]為Y作圖，我們得到:
圖3. 步進(jìn)為1°時(shí)，增量靈敏度曲線
為了滿(mǎn)足應(yīng)用在整個(gè)傾斜角檢測(cè)范圍內(nèi)分辨率的要求，可以利用上圖的曲線來(lái)確定系統(tǒng)的最小靈敏度。假設(shè)應(yīng)用要求最小分辨率為1°，傾斜角檢測(cè)范圍在-63°到+63°之間。根據(jù)上圖, 增量靈敏度在傾斜角0°到90°變化時(shí), 逐漸變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)63°時(shí)，靈敏度降至4.074mg/1°。
對(duì)于數(shù)字輸出加速度傳感器，靈敏度一般使用LSB/g來(lái)表示。LSB為最低有效位，g為重力加速度。每個(gè)LSB要區(qū)分4.074mg輸出, 那么對(duì)應(yīng)靈敏度最少是246LSB/g (1g/4.074mg)。在選擇加速度傳感器時(shí)，應(yīng)保證加速度傳感器的靈敏度大于計(jì)算所得的最小靈敏度。
去哪兒查找加速度傳感器技術(shù)資源?
Digi-Key的網(wǎng)站中提供了大量加速度傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)資源，讓開(kāi)發(fā)者可以輕松獲取。
物料選型資源
在Digi-Key網(wǎng)站上，除了可以根據(jù)參數(shù)篩選加速度傳感器，還有專(zhuān)門(mén)針對(duì)傳感器的傳感器選擇界面。
圖4. Digi-Key網(wǎng)站中傳感器選擇界面
一些主要的加速度傳感器廠商，如ADI， 也有相應(yīng)的加速度傳感器選擇界面，方便用戶(hù)有針對(duì)性地篩選：
圖5. Digi-Key網(wǎng)站中ADI加速度傳感器選擇與開(kāi)發(fā)板選擇頁(yè)面
Digi-Key內(nèi)容庫(kù)
Digi-Key網(wǎng)站上還有許多技術(shù)文章，它們根據(jù)很產(chǎn)品類(lèi)型、語(yǔ)言、供應(yīng)商等進(jìn)行了很好地分類(lèi)。
比如你想尋找「ADI傳感器相關(guān)文章」，網(wǎng)站就會(huì)給出一些相關(guān)的內(nèi)容，比如：采用ADXL326 和 12 位 ADC 測(cè)量加速度。
圖6. 在Digi-Key內(nèi)容庫(kù)中的ADI傳感器相關(guān)文章
Digi-Key視頻庫(kù)
在Digi-Key視頻庫(kù)中有許多有趣的應(yīng)用視頻。比如下面的視頻介紹的是如何一個(gè)使用ADI ADXL345BCCZ-RL7來(lái)記錄遙控小車(chē)墜落時(shí)，加速度傳感器的數(shù)據(jù)。觀看該視頻可點(diǎn)擊：加速度傳感器測(cè)量玩具車(chē)墜落過(guò)程。
圖7. Digi-Key視頻庫(kù)記錄加速度傳感器測(cè)量玩具車(chē)墜落過(guò)程的內(nèi)容
更大的傾斜角范圍怎么辦？
單軸加速度傳感器適用于那些傾斜角范圍比較小，傾斜位置比較固定的應(yīng)用。在很多實(shí)際應(yīng)用中，傾斜角變化范圍可能會(huì)在0°到360°。此時(shí)使用雙軸或者三軸加速度傳感器更加適合。使用雙軸或者三軸加速度傳感器在檢測(cè)傾斜角應(yīng)用上與單軸加速度傳感器有什么優(yōu)勢(shì)以及不同處呢？請(qǐng)看后續(xù)文章有關(guān)雙軸與三軸加速度傳感器。
推薦閱讀：
